J. Future Foods | 利用植物次生代谢产物的生物工程纳米颗粒及其在肺癌治疗中的应用

原创 JFF 未来食品学报

2024年04月02日 08:51

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Abstract

食物来源的多酚及其对2型糖尿病的影响与微生物群有关。本文阐述了食物来源的多酚影响2型糖尿病发病的机制，重点是肠道微生物及其产生的代谢产物所发挥的作用。本文还讨论了食物来源的多酚通过宿主信号介导的炎症反应降低血糖的机制。食物来源的多酚通过重塑肠道微生物组组成和减少炎症反应来缓解2型糖尿病的发展。食物来源的多酚抑制α-葡萄糖苷酶、α-淀粉酶和二肽基肽酶IV酶的活性，以降低餐后血糖水平。活化B细胞的核因子κ轻链增强子（NF-κB）被认为是食物来源的多酚在减轻2型糖尿病发病中的关键调节剂。抑制NF-κB活化可以增加胰岛素敏感性，减轻炎症，并维持葡萄糖稳态。这项研究表明，食物来源的多酚可以减轻2型糖尿病的发病，并提供了足够的理论知识，以支持其使用。

Introduction

纳米粒子在科研和医学领域备受关注。由于其独特的特性，如纳米级尺寸（直径＞100 nm）、个性化给药和高药效，研究人员已开始研究纳米医学。合成纳米粒子时，通常首选贵金属，包括银、金、铜、锌和铂。银纳米粒子（AgNPs）的年用量达500 t，主要用于生物和医疗领域，如抗菌、抗真菌和抗病毒产品，因此受到更多关注。纳米颗粒的绿色合成具有极低的毒性，已成为生物医学应用日益广泛的热门研究领域，包括制备植入式生物材料、分子成像、伤口愈合和药物输送等。绿色纳米粒子可通过多种方法合成，如紫外线（UV）照射、微波照射、化学还原、光化学还原、c-照射和声电化学方法。尽管这些方法能高效合成高纯度、高特异性的纳米粒子，但成本极高，而且可能对环境有害。在每个国家，癌症都是导致死亡的主要原因，也是延长预期寿命的重要障碍。预计到2027年，癌症死亡率将增加70%，其中大部分是肺癌、乳腺癌、前列腺癌和结肠直肠癌。目前的肺癌治疗药物不仅价格昂贵、疗效不佳，而且对非癌组织有严重的副作用和毒性。绿色纳米粒子开创了一个涵盖化学、医学、工程学和生物学的跨学科研究新时代，其研究重点是肺癌的检测、诊断、治疗和预防。迄今为止还没有关于不同金属的绿色纳米粒子用于肺癌研究的全面综述。本综述重点介绍了各种纳米粒子的生物合成，包括目前应用纳米粒子治疗肺癌的实例，以及绿色合成纳米粒子的详细作用机制和毒性。通过使用PubMed、Web of Science、Google Scholar、Scopus和ACS进行了一次文献调查。在文献检索的基础上，回顾了有关绿色纳米粒子、植物提取物和抗癌活性的研究成果，以便进一步研究和开发绿色合成纳米粒子。

植物科学和/或食品科学中的纳米材料（NMs）

NMs具有独特的物理化学特性，可以通过多种方式对生物分子进行功能化。此外，人们还发现某些纳米材料能对外部刺激做出反应，如金纳米粒子和磁性纳米粒子，以及聚合物或混合纳米材料，从而能以时间可控的方式释放大分子。基于上述原因，过去二十年来，工程纳米材料在医学和药理学领域得到了成功的评估和应用，尤其是在诊断和治疗方面。最近，纳米技术在植物科学领域引起了关注，特别是将纳米材料作为农用化学品或生物分子在植物中的载体，以及提高作物产量的潜力。

植物基质的微分子和大分子（生物活性物质）

植物生物活性化合物已成为维持和预防各种疾病的关键成分。在各种植物中发现的少量代谢物被称为生物活性化学物质。初级和次级代谢物是在基本代谢过程中发挥不同功能的植物化学物质。初级植物代谢物在所有活细胞中或多或少都具有可比性，因为它们参与了重要的生命功能。另一方面，次生植物代谢物是莽草酸途径等次生途径的副产品。生物碱、酚类、黄酮类、皂苷、萜类、脂类和碳水化合物都属于植物次生代谢物。长期以来，传统和民间医学一直利用植物次生代谢物治疗多种疾病。在现代医学中，次生植物代谢物为药物生产提供了先导化学品，可治疗从偏头痛到癌症等多种疾病。微分子是一种小而轻的分子，通常被称为单体。微分子控制着各种生物过程。核苷酸、氨基酸、单糖、脂肪酸和甘油是细胞中最重要的微分子。与微分子相比，大分子是分子量较大的分子。单体或小的微分子连接在一起产生大分子。植物大分子具有高分子量，这使其有别于生态系统中的其他物质。植物有三大类大分子蛋白质、多糖和核酸。表1列出了来自植物的次级代谢物及其分子量。自然界过去曾产生过一些抗癌药物，如长春花生物碱、紫杉类药物及其衍生物、喜树碱及其衍生物、蒽环类药物等。相比之下，全球批准的所有抗癌药物中有一半是天然产品或其衍生物，它们是利用从天然小分子或大分子中收集的知识开发出来的。据报道，植物生物活性物质可抑制肿瘤的发展，为针对癌症特征抗击癌症提供了新的武器。细胞穿透肽（CPP）能通过在各种细胞中形成纳米颗粒载体来递送各种大分子，包括寡核苷酸、治疗药物、蛋白质和医学成像剂，这使其成为一种很有前途的工具，既能递送大分子，又能了解细胞跨质膜摄取的基本原理。

表1 从各种金属中提取的绿色合成物及其在肺癌治疗中的潜力

纳米粒子的绿色生产

合成NPs可采用"自上而下"和"自下而上"两种方法（图1）。球磨、化学蚀刻、激光烧蚀和溅射是"自上而下"策略的例子，可通过各种物理和化学过程实现。纳米粒子表面检测的发生率是自上而下策略的主要问题。自下而上的方法是指自下而上地构建材料：逐个原子、逐个分子或逐个簇，以还原/氧化为主要反应。自下而上的过程具有化学或生物性质，缺陷最小，化学成分均匀（例如，胶束法、溶胶-凝胶合成、胶体沉淀、水热合成）。表2列出了展示生物合成金属纳米颗粒的植物及其部分，以及它们的制备方法、大小、形状和吸光度。

图1 由于纳米粒子具有独特的电、光、热、物理和化学特性，因此其生产方法各不相同

表2 利用植物提取物合成 NPs 以抑制肺癌细胞株的研究清单，以及有关合成纳米粒子的一些实用信息

肺癌的病理生理学

肺癌是世界上发病率和致死率最高的癌症之一（占癌症死亡总数的18.0%）。它是全球男性癌症死亡的首要原因，也是女性癌症死亡的第二大原因，每年约有220万新发病例和180万死亡病例。据推测，反复接触香烟烟雾等致癌物质会导致肺上皮细胞发育不良。持续接触会导致基因改变并干扰蛋白质的生成。因此，细胞周期被打乱，诱发癌变。导致肺癌发生的最主要基因突变是小细胞肺癌中的MYC、BCL2和p53，以及非小细胞肺癌中的表皮生长因子受体、KRAS和p16。

肺癌大致可分为两种形式：非小细胞肺癌（NSCLC）和小细胞肺癌（SCLC）。非小细胞肺癌又分为鳞状细胞癌、腺癌和大细胞癌。NSCLC占所有肺癌的80%，其中腺癌占所有肺癌病例的40%。腺癌是指腺体和鳞状成分占10%以上的肺部肿瘤，往往向肺外围生长，每161 d增大一倍。鳞状细胞癌约占所有肺癌的30%。这是与吸烟有关的两种最常见的肿瘤之一，另一种是小细胞癌。鳞状细胞肿瘤通常位于胸部中央，生长缓慢，每88 d就会增大一倍。大细胞癌（LCC）是肺癌中最不常见的类型，占所有病例的10%～15%。大细胞癌是一种恶性上皮肿瘤，缺乏腺癌、鳞癌或神经内分泌癌的细胞学特征。LCC通常由圆形至多角形细胞组成，具有突出的核小体。这些肿瘤的生长速度与周围部位的鳞状细胞癌相似，每86 d生长一倍。而SCLC主要由圆形、椭圆形或有棱角的细胞组成，细胞质很少，大小与静止的淋巴细胞差不多。它们通常起源于中心位置，增殖迅速；倍增时间约为2（图2）。肺癌生物学的重大进展可能会导致基于靶向特定基因和通路的定制疗法。可为治疗提供路线图的主要信号通路包括：生长促进通路（表皮生长因子受体/Ras/磷脂酰肌醇3-激酶）、生长抑制通路（p53/Rb/P14ARF、STK11）、凋亡通路（Bcl-2/Bax/Fas/FasL）、DNA修复和永生化基因。

图2 肺癌的发病机制与肺癌的发病部位

在植物中应用纳米技术的前期研究需求

近年来，纳米技术在合成纳米微生物及其在医学诊断和治疗中的应用方面取得了重大进展。另一方面，纳米微生物在植物方面的应用仍然不足。需要根据最新发现和目前的用途，在这一方向上开展更多研究，以提高核磁共振成像的合成和生物功能化水平。有理由认为，由于以下几个障碍，植物科学和农业领域应用核磁共振成像的潜力和益处仍未得到充分利用：1）需要设计和合成安全的纳米材料；2）生物活性物质的作用；3）缺乏对提取过程的了解；4）缺乏设计和实施植物纳米技术应用所需的多学科方法。

绿色合成和金属在肺癌中的生物学应用

生产纳米粒子的传统方法既昂贵又危险，而且对环境有害。为了应对这些挑战，一些研究人员发现了精确的绿色路线，或可用于合成纳米粒子的天然来源及其产品。贵金属纳米粒子因其超小尺寸而引发了人们的极大兴趣，这使得它们能够表现出各种独特的、经过改良的物理、化学和生物特性和功能。表3总结了展示生物合成纳米粒子的研究清单，以及利用植物提取物生物合成纳米粒子抑制肺癌细胞的意义。

表3 利用植物介导的纳米粒子抗肺癌活性的研究清单

AgNPs

由于AgNPs具有高导电性、高导热性、化学稳定性、高催化活性、表面增强性和抗菌性等诱人特性，已引起了一些研究人员的关注。为了应对对抗生素具有抗药性的细菌所带来的日益严重的威胁，AgNPs和其他贵金属一样，作为抗菌剂的合成变得越来越流行。由于AgNPs既能提高化疗效力，又能降低全身毒性，因此在癌症治疗方面具有很大的优势。在绿色方法中，植物提取物通常被用作还原剂，而不是使用化学还原剂。植物的许多不同部分，包括根、果实、树皮、种子、茎和叶，都含有参与还原、封盖和稳定 AgNPs 的植物生化物质。一些研究采用完全不同的制备方法，有效合成并稳定了 AgNPs，使其具有抗肺癌功效。所有植物化学物质中，AgNPs表面的OH（酚类化合物）官能团被认为有助于还原银离子。球形NP组合物对A549肺癌细胞具有显著的抗癌活性，Bax、caspase-3和caspase-7上调，而抗凋亡基因 Bcl-2下调。这导致24和48 h内对A549细胞的半最大抑制浓度（IC₅₀）分别为62.82和 42.44 μg/mL。

叶提取物中存在的蛋白质、酚类化合物和硅（Si-O-Si）可作为还原剂形成银离子。AgNPs的形成表现为反应混合物中出现深棕色，这似乎对人类肺癌细胞（A549）具有有效作用。研究人员报告说，用AgNPs处理A549细胞后，它们会进入G2/M停滞期，最终导致细胞凋亡。此外，基因分析表明，抗凋亡基因（Bcl-2）的表达量减少，而促凋亡基因（Bax）线粒体基因的表达量增加。水银离子与甜菜浓缩物反应后，在不同温度下会在细胞外产生银纳米粒子。在90 mL 1 mmol/L硝酸银溶液中加入10 mL β-芸苔素浓缩物，可实现Ag⁺离子的还原。溶液变成灰红色，证明硝酸银还原成了银纳米粒子。形成的AgNPs主要呈球形，多分散，大小在10～20 nm之间。据推测，AgNPs释放的Ag⁺离子与细胞膜蛋白质以及DNA和RNA等核酸有很强的相互作用。AgNPs有能力打破溶酶体膜的完整性，或通过引起渗漏破坏细胞膜的完整性。通过捕获细胞膜内的自由电子，纳米粒子会导致活性氧（ROS）的产生和积累，从而引起氧化应激和细胞变形。此外，ATP的产生也会减少。这些活性氧会攻击DNA依赖性蛋白激酶，损害其酶活性，而这种酶活性被认为是通过非同源末端连接进行DNA损伤修复所必需的。因此，癌细胞失去了修复受损核酸的能力，导致细胞死亡。使用大戟叶水提取物制备了纳米银颗粒。纳米颗粒对生物大分子具有高亲和力，易于穿透细胞屏障，因此具有显著的细胞毒性作用。多项研究表明，纳米粒子通过释放活性氧来引起细胞毒性（图3）。它会产生细胞内氧化应激，破坏细胞成分，最终导致细胞死亡。

图3 绿色合成纳米粒子的物理化学和生物学特性及其与恶性细胞特性的相互作用

金纳米粒子（AuNPs）

植物提取物已被广泛用于生产AuNPs。蛋白质、酶、维生素、萜类化合物、黄酮类化合物、多酚和多糖等植物生物大分子可用作还原剂、稳定剂或封端剂。植物提取物中含有各种形式和剂量的植物生物大分子，它们也可能影响所制纳米粒子的生物活性。金纳米粒子能够抑制Ras、Akt和肿瘤标志物等信号蛋白的表达（图4），这也是其具有抗癌特性的原因。

图4 绿色合成纳米粒子（NP）的细胞效应示意图

氧化锌（ZnO）纳米颗粒

近年来，氧化锌纳米粒子因其在电子、光学和生物系统中的广泛应用而备受关注。氧化锌纳米粒子是最有吸引力的金属氧化物，因为它们制造成本低、安全、制备简单。氧化锌已被美国食品和药物管理局列为GRAS（一般认为是安全的）金属氧化物。氧化锌具有多种医药用途，包括药物输送、抗糖尿病、抗癌、抗真菌、抗菌和农艺学特性。研究证实，氧化锌纳米粒子在很低的浓度下就能对肺癌产生很强的抗癌作用，它们比化学合成的氧化锌纳米粒子具有更强的细胞毒性。

合成纳米粒子的可能机理

尽管很多研究都在关注生物合成纳米粒子的抗癌作用，但这一过程的详细机制仍然未知。植物基纳米粒子通常会引发ROS，导致细胞死亡。ROS 会改变信号转导途径，导致细胞凋亡。植物成分产生的分子和细胞变化可能是抑制性的（主要是细胞活力、肿瘤侵袭、扩张、增殖和发育等抗癌特性），也可能是促进性的（主要是细胞凋亡途径和细胞死亡）。在人体细胞中，NPs可干扰针吞、内吞和吞噬等过程。NPs可能释放离子进入细胞核，导致癌细胞DNA断裂/超甲基化和/或细胞周期停滞（图5）。此外，NPs 对细胞活力的抑制作用是由于抗凋亡基因（如Bcl2）的下调、ROS的产生、线粒体裂变和自噬以及最终通过细胞凋亡诱导细胞死亡的事件。例如，AgNPs可通过多种机制对哺乳动物细胞造成细胞毒性，其中包括：1）游离银离子摄取导致依赖能量的细胞功能紊乱和DNA复制受损；2）产生ROS和自由基；3）与AgNPs直接相互作用导致细胞膜损伤。在体外研究中，AuNP对肺癌细胞株具有强效的抗增殖活性，IC₅₀为10～50 µg/mL。经植物银纳米粒子处理后，A549人肺癌细胞系中的Survivin、dc25C、CDK2、CDK4、CDK6、COX-1、COX-2、PGE2表达水平以及细胞周期蛋白A-B的减少均大幅降低。此外，在暴露于AuNP的A549细胞中，IL-10、IL-1β、IL-6、NF-κB和TNF-α等促炎基因明显上调（图5）。

图5 生物工程纳米粒子与人类肺癌细胞生物成分的相互作用机制

纳米材料可通过内在和外在机制诱导凋亡信号。产生的ROS会导致线粒体膜去极化，从而在内在途径导致细胞凋亡的情况下将细胞色素c释放到细胞膜上。然后，细胞色素c通过激活外显子途径凋亡中的促凋亡蛋白酶，激活caspase-9/3细胞凋亡级联。另一方面，一些绿色制备的纳米粒子的抗癌潜力可能与植物提取物中固有的生物大分子或植物化学成分的属性有关。

绿色合成纳米粒子的毒性和生物噬性

尽管绿色合成纳米粒子在生物医学领域具有广阔的发展前景，但其使用会对健康造成一定的负面影响。在生物医学应用中使用纳米粒子的局限性主要在于其毒性。因此，必须对动物、人类和环境中纳米粒子暴露增加的影响以及急性和慢性毒性方面的潜在危害进行调查。绿色合成的NPs具有不同的性质，包括形状、大小、表面化学性质、靶向配体、弹性和成分，这些都会影响其对生物系统的毒性。此外，当含金属纳米粒子暴露于人类肺上皮细胞时，会产生活性氧，从而导致氧化应激和细胞损伤。本文综述了绿色合成纳米粒子在体内和体外对细胞的潜在危害及其可能的风险。

最近一项关于植物介导的 AgNPs 毒性的研究发现，它们具有显著的抗肺癌潜力，同时对正常细胞的风险很小。绿色合成的AuNPs可通过产生ROS诱导氧化应激和炎症，从而导致DNA损伤，进而导致细胞凋亡和死亡。

植物介导的NPs的植物生化涂层在肿瘤酸性环境的帮助下很容易释放，从而提高了纳米粒子的抗癌活性。为了降低毒性，生物合成的NPs更受青睐，因为其中含有生物相容性植物成分。因此，植物合成的NPs比化学合成的NPs更安全。所有这些研究都证实，植物介导的NPs具有较高的抗肺癌活性，同时对正常细胞毒性较低。最新研究的这些发现可能会在不久的将来为将NPs用于肺癌治疗的临床试验提供新的途径。考虑到成本问题，环境友好型绿色合成NPs因其显著的特异性和较低的毒性，可作为潜在生物医学应用的有力未来候选材料。

Conclusion

植物中的大分子和微分子植物化学物质可对纳米粒子进行生物还原。植物有复杂的螯合过程来解毒，以抵消金属的毒性。金属离子可通过寡肽、光热和一种分子量＞5000 Da的低分子量化合物（金属硫蛋白）的空泡压积作用排出体外。利用这些植物性微分子和大分子生产金属纳米粒子简单、方便、经济、易于规模化、能耗低、生态友好，并且在提高工艺效率的同时减少了有害成分的使用。此外，绿色合成NPs比物理化学方法生产的NPs更稳定、更有效。它尤其适用于生产需要不含有毒污染物的NPs，用于生物医学和治疗应用。

研究人员的工作重点是了解纳米粒子生物合成过程中的生物途径和酶活性，以及参与金属纳米粒子形成的生物大分子的检测和表征。蛋白质/酶、氨基酸、多糖、生物碱、醇类化合物和维生素等植物生物大分子可能有助于金属纳米粒子的生物还原、合成和稳定性。未来的研究可集中于改进反应条件和创建重组生物，以大批量生产纳米粒子制造和稳定所涉及的蛋白质、酶和生物大分子。

从几种植物提取物中提取的纳米粒子在治疗肺部恶性细胞方面已显示出前景。由于对癌细胞株的细胞毒性降低，正常细胞可能成为未来癌症治疗的候选对象。已有研究人员对生物合成的氮氧化物的抗肺癌活性进行了体外测试，但很少有研究人员对生物合成的氮氧化物的抗肺癌活性进行体内实验。为进一步研究生物合成NPs的抗肺癌优势，应开展体内研究。未来提高这些生物活性物质在纳米粒子制造中的生产率和抗肺癌活性的方法是对植物进行基因改造，使其具有更强的金属耐受性和积累能力。

Recent advcances on plant-based bioengineered nanoparticles using secondary metabolites and their potential in lung cancer management

Atiqul Islam^a,Iqra Rahat^b, Anurag^b, Chandrababu Rejeeth^c, Devkant Sharma^d, Alok Sharma^b,*

^a Department of Pharmacognosy, College of Pharmacy, JSS Academy of Technical Education, Sector-62, Noida 201301, India

^b Department of Pharmaceutical Technology, Meerut Institute of Engineering and Technology (MIET), Meerut 250005, India

^c Department of Biochemistry, Periyar University, Salem 636011, India

^d Ch. Devi Lal College of Pharmacy, Yamuna Nagar 135003, India

*Corresponding author.

Abstract

As modern technology evolves, researchers are attempting to discover novel strategies for controlling deadly lung cancer. The use of secondary metabolites from plants as a precursor in the green synthesis of metallic nanoparticles has several advantages over the more common physiochemical synthesis as it includes, low cost, energy efficiency, biocompatibility, and therapeutic value. This review aims to investigate the effects of employing materials made from plant-based synthesis that contain metallic nanoparticles (Ag, Au, CuO, Se, ZnO, Pt, and SnO₂) highlighting the advantages of their widespread application in lung cancer treatment of the next-generation. Despite a persisting prejudice about the application of nanotechnological products and medicine. The phytochemicals found in plants that are responsible for nanoparticle bio-reduction include flavones, terpenoids, sugars, ketones, aldehydes, carboxylic acids, and amides. These molecules range in size from small molecules to low molecular weight (MW > 5000) compounds. Additionally, these plant extract biomolecules serve as a reducing and stabilizing agent, resulting in nanoparticles that are stable and have a regulated form. The focus of this review is on the biomolecule green nanoparticles used in the treatment of lung cancer found in the plant extract, which is thought to be the next generation of futuristic materials.

Reference:

ISLAM A, RAHAT I, ANURAG, et al. Recent advcances on plant-based bioengineered nanoparticles using secondary metabolites and their potential in lung cancer management[J]. Journal of Future Foods, 2025, 5(1): 1-20. DOI:10.1016/j.jfutfo.2024.01.001.

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翻译：林安琪（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片来源：图虫创意

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