feb162023

Nanoparticelle "green" da estratti di piante medicinali: una tecnologia ecosostenibile

I recenti progressi nella nanotecnologia hanno portato allo sviluppo di nanoparticelle metalliche ingegnerizzate. La facilità di sintesi e le proprietà di funzionalizzazione hanno permesso varie applicazioni in diversi campi della biologia e in particolare della biomedicina. La biocompatibilità con un'elevata varietà di ligandi (DNA, RNA, proteine e peptidi, agenti chemoterapici), la proprietà di produrre calore e la versatilità funzionale sono infatti alla base di un'ampia gamma di applicazioni come tracciabilità e rilevamento, la somministrazione mirata di farmaci, l'imaging, la terapia fototermica e fotodinamica, nonché la modulazione delle applicazioni (Elahi et al., 2018). Le nanoparticelle d'oro (AuNP) sono le più stabili tra le nanoparticelle di metallo. Presentano dimensioni tra 1 e 100 nm e differente forma - sferica (nanosphere) a bastoncello (nanorod), a conchiglia (nanoshell) o a gabbia (nanocage) - da cui dipendono le loro importanti proprietà biologiche e fisico-chimiche. Caratteristiche intrinseche come la forte affinità di legame con tioli, disolfuri e ammine, risonanza ottica, elettronica, fisico-chimica e plasmonica di superficie (SPR), possono essere alterate modificandone forma, dimensione e il rapporto superficie-volume.

Come si ottengono
Tradizionalmente, la sintesi di nanoparticelle d'oro può essere effettuata mediante due approcci principali, uno "top-down" e uno "bottom-up". Nel primo, parte di materiali più grandi può essere rotta per formare particelle più piccole (macinatura a sfere, tecniche litografiche, incisione e sputtering). Il secondo approccio si concentra invece sull'utilizzo di atomi per formare particelle più grandi, solitamente coinvolgendo agenti riducenti aggressivi [idrazina e boroidruro di sodio e successivamente, il citrato di sodio (metodo di Turkevich)], insieme a un agente di rivestimento (capping) e solventi volatili, come cloroformio e toluene.

Con questi metodi tradizionali di sintesi si generano efficacemente nanoparticelle metalliche pure ben definite, ma la loro produzione è costosa e genera un alto livello di residui tossici. Importante alternativa a questo sistema è la cosiddetta sintesi ecosostenibile o sintesi "green" con batteri, funghi e piante.

In particolare, gli estratti vegetali di diverse parti (foglie, fiori, steli e radici) sono diventati uno dei materiali più utilizzati per la sintesi di nanoparticelle a causa della loro ampia distribuzione a livello globale, della mancanza di patogenicità e dell'elevata quantità di composti antiossidanti, che offre un vantaggio rispetto ad altri fonti biologiche. Lo schema del procedimento che viene effettuato è il seguente: Preparazione del materiale vegetale > produzione di estratti etanolici e acquosi > caratterizzazione degli estratti > sintesi di AuNP> analisi della stabilità.
Gli estratti vegetali presentano una concentrazione essenziale di diversi composti come carboidrati, polifenoli, flavanoli, acidi fenolici, carotenoidi, terpenoidi e proteine, che effettuano la riduzione chimica degli ioni Au3+ ad Au0, seguita dalla nucleazione dove atomi di Au0 formano piccoli nuclei. Successivamente questi piccoli nuclei vengono raggruppati e rivestiti (capping) dai metaboliti secondari ossidati. Questo procedimento assicura la stabilità delle nanoparticelle neoformate.

Lavori recenti in letteratura mostrano come la biosintesi verde di nanoparticelle metalliche sia stata ottenuta utilizzando estratti vegetali di diverse piante usate per scopi medicinali o aromatici come, tra le altre, Simarouba glauca, Hygrophila spinosa, Nigella arvensis, Malva verticillata, Moringa oleifera, Euphorbia thymifolia L, Cassytha filiformis L, Plantago asiatica, Rosa damascena, Tagetes erecta e Hibiscus sabdariffa L. (Kyziol et al., 2021; Soto et al. 2023).
In questi lavori, le AuNP sintetizzate utilizzando un metodo rapido e "green" con estratti acquosi e etanolici di varie parti della pianta e caratterizzate dal punto di vista morfologico, di dimensione, cristallinità e stabilità, si sono dimostrate efficaci, rispettivamente nell'esercitare una elevata attività antimicrobica contro una serie di microorganismi patogeni (S. glauca, N. arvensis, M. verticillata), una elevata attività catalitica riducente (E. thymifolia, C. filiformis, P. asiatica) ed una elevata attività antiossidante e citotossica verso cellule cancerose in vitro (H. spinosa, N. arvensis, M. oleifera, R. damascena, T. erecta e H. sabdariffa).
Mediante studi di comparazione con AuNP sintetizzati con metodo chimico le AuNP "green" si sono dimostrate meno costose, meno pericolose e meno tossiche per l'ambiente. La sintesi di nanoparticelle mediata dalle piante è perciò ecologica ed economica.

Elahi, N., Kamali, M., & Baghersad, M. H. (2018). Recent biomedical applications of gold nanoparticles: A review. Talanta, 184, 537-556.
Kyzioł, A., Łukasiewicz, S., Sebastian, V., Kuśtrowski, P., Kozieł, M., Majda, D., & Cierniak, A. (2021). Towards plant-mediated chemistry-Au nanoparticles obtained using aqueous extract of Rosa damascena and their biological activity in vitro. Journal of Inorganic Biochemistry, 214, 111300.
Soto, K. M., López-Romero, J. M., Mendoza, S., Peza-Ledesma, C., Rivera-Muñoz, E. M., Velazquez-Castillo, R. R., ... & Manzano-Ramírez, A. (2023). Rapid and facile synthesis of gold nanoparticles with two Mexican medicinal plants and a comparison with traditional chemical synthesis. Materials Chemistry and Physics, 295, 127109.

Patrizia Bogani
Università di Firenze