采用绿色工艺制备的硫化锌纳米颗粒，兼具双重抗糖尿病和抗癌功效

《Applied Materials Today》：Green-fabricated zinc sulfide nanoparticles with dual antidiabetic and anticancer efficacy

糖尿病与乳腺癌的纳米药物治疗策略，通过绿合成技术利用Coccinia grandis果皮制备ZnS纳米颗粒，证实其双重治疗效果：抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶活性（IC50分别为10.6和11.6 μg/mL），诱导MCF-7乳腺癌细胞凋亡，并伴随ROS介导的线粒体膜电位损伤。

　　

Vyshnavi T. Veetil | R. Yamuna | Arivazhagan Rajendran

印度阿姆利塔维什瓦大学（Amrita Vishwa Vidyapeetham）阿姆利塔物理科学学院（Amrita School of Physical Sciences），哥印拜陀（Coimbatore）化学系。

摘要

全球糖尿病和癌症发病率的上升对公共卫生构成了重大挑战，这凸显了开发创新、有效且可持续的治疗方法的必要性。具有天然生物相容性、多功能性和选择性细胞毒性的生物纳米颗粒（NPs）成为传统治疗方法的有希望的替代方案。在本研究中，通过使用Coccinia grandis果实（CG-ZnS NPs）采用环保方法合成了硫化锌纳米颗粒（ZnS NPs），并将其作为治疗糖尿病和乳腺癌的双重治疗剂。通过互补的光谱和显微分析证实了这些纳米颗粒的成功制备及其物理化学特性。这些纳米颗粒通过抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶表现出强大的抗糖尿病活性，其IC₅₀值分别为10.6 ± 0.62 μg/mL和11.6 ± 0.74 μg/mL。MTT实验测定的体外细胞毒性显示，它们对MCF-7乳腺癌细胞具有强选择性的抗增殖活性，IC₅₀值为27.69 ± 0.05 μg/mL，同时对正常细胞的存活率影响较小。吖啶橙/溴化乙锭（AO/EB）和Annexin V-荧光异硫氰酸酯（FITC）染色证实了细胞凋亡的发生，而活性氧（ROS）的生成和线粒体膜电位（MMP）的破坏表明了ROS介导的线粒体凋亡途径。总体而言，这些发现突显了CG-ZnS NPs作为管理糖尿病和乳腺癌的可持续双重作用剂的潜力，未来在生物医学领域具有广泛应用前景。

引言

乳腺癌是女性中常见的恶性肿瘤，死亡率很高[1]。在疾病的致命和转移阶段，病情会变得更加严重和复杂[2]。统计数据显示，20-30%的患者在诊断和初步治疗后会出现转移，导致约90%的死亡病例[3,4]。糖尿病是一种由环境和遗传因素引起的慢性代谢疾病，其特征是胰岛素分泌不足或胰岛素敏感性降低导致血糖水平持续升高[5]。目前，约有5.37亿20-79岁的成年人患有糖尿病，占全球人口的约10%，预计到2030年这一数字将增加到近6.43亿[6]。

尽管生物研究和医疗护理取得了巨大进展，乳腺癌和糖尿病仍然对全球健康构成重大威胁。尽管这些慢性疾病的临床症状各不相同，但炎症、氧化应激和异常细胞信号传导等潜在机制在两种疾病中都起着重要作用[7]。现有的治疗方法如激素疗法、化疗、放疗和手术存在诸多缺点，包括药物耐药性、严重的副作用以及对健康组织的意外损害[8,9]。发现具有优异细胞选择性的新型抗癌疗法仍然是重要的研究方向。治疗高血糖的方法也存在挑战，如肥胖风险、肝脏功能受损、骨质疏松症、微生物抵抗力下降以及过敏反应增加[10,11]。寻找能够抑制关键碳水化合物水解酶（包括α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶）的抑制剂是通过延缓碳水化合物消化和限制葡萄糖吸收来降低血糖水平的可靠方法[12]。这些挑战凸显了开发生物相容性和选择性药物递送方法的迫切需求，以提升治疗效果并减少副作用[[13], [14], [15]]。探索含有生物活性化合物和碳水化合物降解酶抑制剂的植物来源物质可能成为治疗乳腺癌和糖尿病的有效选择，同时具有较低的副作用[16,17]。

正在进行的研究和临床试验旨在发现纳米颗粒（NPs）的治疗潜力，以提供更准确、可靠和高效的治疗方法[18,19]。宽带隙无机半导体纳米颗粒因其在生物医学应用中的巨大潜力而受到广泛关注[20,21]。由于其显著的治疗效果，硫化锌纳米颗粒（ZnS NPs）引起了广泛关注[22]。ZnS NPs能够刺激癌细胞的细胞毒性、诱导细胞凋亡、产生大量ROS以及促进血管生成[[23], [24], [25]]。它们的光动力和光热效应使其适用于癌症治疗[26]。它们可以通过抑制上皮-间质转化（EMT）来有效阻止MCF-7干细胞的迁移和侵袭，而EMT是癌症转移的关键过程[27]。然而，ZnS NPs对健康细胞的选择性和可能的不良影响尚未得到充分研究。此外，Zn²⁺离子由于其类似胰岛素的活性而具有抗糖尿病作用[28]。氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）通过显著降低血糖水平和提高血清胰岛素水平显示出良好的抗糖尿病效果[29,30]。除了这些研究外，ZnS NPs的抗糖尿病潜力仍有很大探索空间。

化学合成的ZnS NPs主要被用于癌症治疗[25,27]，但这些合成方法通常成本较高，不太适合临床应用。利用植物提取物合成纳米颗粒已在多种生物过程中得到广泛应用。植物提取物不仅是一种可持续且经济的替代传统化学方法的选择，还能提高纳米颗粒的生物相容性和降低毒性[[31], [32], [33], [34]]。植物提取物中丰富的植物化学物质可作为纳米颗粒形成的还原和稳定剂[35]。通过绿色途径合成的ZnS NPs在抗癌研究中的应用较少，其抗糖尿病活性也尚未得到报道[36,37]。

Coccinia grandis（CG）是一种属于葫芦科（Curcubitaceae）的食用植物，在多个非洲和亚洲国家都有分布[38]。传统上，CG被用作草药来治疗糖尿病、胃肠道疾病、微生物感染和炎症等多种疾病[39]。在各种传统医学实践中，CG用于调节糖尿病的应用最为广泛，这激发了科学家们对其治疗效果的探索[40,41]。CG果实已被药理学评估其降糖和促进胰岛素分泌的特性[42]。先前的文献报道了CG果实提取物通过体外抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性而表现出抗糖尿病效果[43,44]。此外，CG果实还显示出对乳腺癌细胞的抗癌和抗细胞增殖活性[45,46]。CG果实富含生物活性成分，如生物碱、黄酮类、萜类和酚类[39]。这些植物成分可作为纳米颗粒合成的有效封端/还原剂[[47], [48], [49], [50], [51]]，从而有助于生产出具有精确尺寸、形状和化学组成的纳米颗粒，进而提升其物理化学和生物学特性[52]。

因此，在本研究中，我们使用CG果实作为稳定剂来绿色制备ZnS NPs。制备的纳米颗粒通过多种表征技术进行了评估，以确定其物理化学特性。通过体外α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制实验检测了CG-ZnS NPs的抗糖尿病活性。还通过细胞毒性、细胞凋亡、线粒体膜电位（MMP）研究和ROS生成等方面全面评估了CG-ZnS NPs对MCF-7细胞系的抗癌效果。

材料与表征技术

用于生物合成CG-ZnS NPs的化学物质包括来自SRL化学公司的硫化钠片（Na₂S）和六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂.6H₂O）。所有化学品和试剂均为分析级，无需额外纯化。

CG-ZnS NPs的化学结构通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）光谱法（型号：Bruker Alpha Platinum光谱仪，OPUS版本8.1，ATR模式）在4000 – 400 cm^?1光谱范围内进行了测定。

合成与物理化学表征

CG-ZnS NPs的绿色制备是在室温下通过简单的沉淀反应完成的，使用CG作为稳定剂。图1展示了CG-ZnS NPs的合成过程。

CG和CG-ZnS NPs的结构特征通过FT-IR光谱法确定，所得光谱见图2a。CG在3311、1637、1067和589 cm^-1处的红外峰与其各种官能团相关。

结论

本文报道了使用CG果实提取物作为稳定剂简便地绿色合成ZnS NPs的方法及其抗糖尿病和抗癌活性。通过多种光谱和显微技术详细研究了纳米颗粒的物理化学性质。CG-ZnS NPs能够有效抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶，其IC₅₀值分别为10.6 ± 0.62 μg/mL和11.6 ± 0.74 μg/mL。此外，CG-ZnS NPs对这两种酶具有显著的抑制作用。

伦理声明

本研究未使用人类或动物实验对象。

数据可用性

数据可应要求提供。

作者贡献声明

Vyshnavi T. Veetil：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验实施、数据分析、数据整理。 R. Yamuna：撰写修订稿、结果验证、实验监督、概念构思。 Arivazhagan Rajendran：撰写修订稿、概念构思。