Propriétés des nanoparticules d'oxyde de zinc et leur activité contre les microbes

Contexte

La nanotechnologie traite de la fabrication et de l'application de matériaux d'une taille allant jusqu'à 100 nm. Ils sont largement utilisés dans un certain nombre de processus qui incluent la science des matériaux, l'agriculture, l'industrie alimentaire, les applications cosmétiques, médicales et diagnostiques [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Les composés inorganiques de taille nanométrique ont montré une activité antibactérienne remarquable à très faible concentration en raison de leur rapport surface / volume élevé et de leurs caractéristiques chimiques et physiques uniques [11]. De plus, ces particules sont également plus stables à haute température et pression [12]. Certains d'entre eux sont reconnus non toxiques et contiennent même des éléments minéraux vitaux pour le corps humain [13]. Il a été rapporté que les matériaux inorganiques les plus antibactériens sont les nanoparticules métalliques et les nanoparticules d'oxyde métallique telles que l'argent, l'or, le cuivre, l'oxyde de titane et l'oxyde de zinc [14, 15].

Le zinc est un oligo-élément essentiel pour le système humain sans lequel de nombreuses enzymes telles que l'anhydrase carbonique, la carboxypeptidase et l'alcool déshydrogénase deviennent inactives, tandis que les deux autres membres, le cadmium et le mercure appartenant au même groupe d'éléments ayant la même configuration électronique, sont toxiques . Il est essentiel pour les eucaryotes car il module de nombreuses fonctions physiologiques [16, 17]. Le sel de bambou, contenant du zinc, est utilisé comme phytothérapie pour le traitement de l'inflammation en régulant l'activité de la caspase-1. Il a été démontré que les nanoparticules d'oxyde de zinc réduisent l'expression de l'ARNm des cytokines inflammatoires en inhibant l'activation de NF-kB (cellules kappa B du facteur nucléaire) [18].

À l'échelle mondiale, les infections bactériennes sont reconnues comme un grave problème de santé. Les nouvelles mutations bactériennes, la résistance aux antibiotiques, les épidémies de souches pathogènes, etc. sont en augmentation et, par conséquent, le développement d'agents antibactériens plus efficaces est une demande du moment. L'oxyde de zinc est connu pour ses propriétés antibactériennes depuis des temps immémoriaux [19]. Il avait été utilisé pendant le régime des Pharaons, et les archives historiques montrent que l'oxyde de zinc était utilisé dans de nombreuses pommades pour le traitement des blessures et des furoncles, même en 2000 avant JC [20]. Il est toujours utilisé dans les crèmes solaires, en complément, les matériaux photoconducteurs, les LED, les transistors transparents, les cellules solaires, les mémoires [21, 22], les cosmétiques [23, 24] et la catalyse [25]. Bien qu'une quantité considérable de ZnO soit produite chaque année, une très petite quantité est utilisée comme médicament [26]. La Food and Drug Administration des États-Unis a reconnu (21 CFR 182.8991) l'oxyde de zinc comme sûr [27]. Il se caractérise par des propriétés photocatalytiques et photooxydantes contre les produits biochimiques [28].

L'oxyde de zinc a été classé par la classification de danger de l'UE comme N; R50-53 (écotoxique). Les composés du zinc sont écotoxiques pour les mammifères et les plantes à l'état de traces [29, 30]. Le corps humain contient environ 2 à 3 g de zinc et les besoins quotidiens sont de 10 à 15 mg [29, 31]. Aucun rapport n'a démontré la cancérogénicité, la génotoxicité et la toxicité pour la reproduction chez l'homme [29, 32]. Cependant, la poudre de zinc inhalée ou ingérée peut produire une maladie appelée fièvre de zinc, qui est suivie de frissons, fièvre, toux, etc.

La morphologie des nanoparticules d'oxyde de zinc dépend du processus de synthèse. Il peut s'agir de nanotiges, nanoplaques [33,34,35], nanosphères [36], nanoboîtes [35], hexagonales, trépieds [37], tétrapodes [38], nanofils, nanotubes, nanoanneaux [39,40,41], nanocages , et les nanofleurs [42, 43]. Les nanoparticules d'oxyde de zinc sont plus actives contre les bactéries à Gram positif par rapport aux autres NP du même groupe d'éléments. Les aliments prêts à manger sont plus sujets à l'infection par Salmonella , Staphylococcus aureus , et E. coli qui représentent un défi majeur pour la sécurité et la qualité des aliments. Les composés antimicrobiens sont incorporés dans les aliments emballés pour éviter qu'ils ne soient endommagés. Les emballages antimicrobiens contiennent un matériau non toxique qui inhibe ou ralentit la croissance des microbes présents dans les aliments ou les matériaux d'emballage [44]. Une substance antimicrobienne destinée à la consommation humaine doit posséder les propriétés suivantes.

1. a)

   Il doit être non toxique.

2. b)

   Il ne doit pas réagir avec la nourriture ou le récipient.

3. c)

   Il doit être de bon goût ou insipide.

4. d)

   Il ne doit pas avoir d'odeur désagréable.

La nanoparticule d'oxyde de zinc est l'un de ces oxydes métalliques inorganiques qui remplit toutes les exigences ci-dessus et, par conséquent, elle peut être utilisée en toute sécurité comme médicament, conservateur dans l'emballage et agent antimicrobien [45, 46]. Il se diffuse facilement dans les aliments, tue les microbes et empêche l'être humain de tomber malade. Conformément aux règlements 1935/2004/CE et 450/2009/CE de l'Union européenne, un emballage actif est défini comme une matière active au contact des aliments ayant la capacité de modifier la composition des aliments ou l'atmosphère qui les entoure [47]. Par conséquent, il est couramment utilisé comme conservateur et incorporé dans des matériaux d'emballage polymères pour empêcher les aliments d'être endommagés par les microbes [48]. Des nanoparticules d'oxyde de zinc ont été utilisées comme substance antibactérienne contre Salmonella typhi et S. aureus in vitro. De toutes les nanoparticules d'oxyde métallique étudiées jusqu'à présent, les nanoparticules d'oxyde de zinc présentaient la toxicité la plus élevée contre les micro-organismes [49]. Il a également été démontré à partir d'images SEM et MET que les nanoparticules d'oxyde de zinc endommagent d'abord la paroi cellulaire bactérienne, puis pénètrent et finalement s'accumulent dans la membrane cellulaire. Ils interfèrent avec les fonctions métaboliques des microbes provoquant leur mort. Toutes les caractéristiques des nanoparticules d'oxyde de zinc dépendent de leur taille, forme, concentration et temps d'exposition à la cellule bactérienne. En outre, des études de biodistribution de nanoparticules d'oxyde de zinc ont également été examinées. Par exemple, Wang et al. [50] ont étudié l'effet d'une exposition à long terme à des nanoparticules d'oxyde de zinc sur la biodistribution et le métabolisme du zinc chez la souris pendant 3 à 35 semaines. Leurs résultats ont montré une toxicité minimale pour les souris lorsqu'elles étaient exposées à 50 et 500 mg/kg de nanoparticules d'oxyde de zinc dans leur alimentation. À une dose plus élevée de 5 000 mg/kg, les nanoparticules d'oxyde de zinc ont diminué le poids corporel mais ont augmenté le poids du pancréas, du cerveau et des poumons. En outre, il a augmenté l'activité de la transaminase glutamique-pyruvique sérique et l'expression de l'ARNm des gènes liés au métabolisme du zinc tels que la métallothionéine. Des études de biodistribution ont montré l'accumulation d'une quantité suffisante de zinc dans le foie, le pancréas, les reins et les os. L'absorption et la distribution des nanoparticules d'oxyde de zinc/microparticules d'oxyde de zinc dépendent largement de la taille des particules. Li et al. [51] ont étudié la biodistribution de nanoparticules d'oxyde de zinc administrées par voie orale ou par injection intrapéritonéale à des souris âgées de 6 semaines. Aucun effet indésirable évident n'a été détecté chez les souris traitées par voie orale avec des nanoparticules d'oxyde de zinc au cours d'une étude de 14 jours. Cependant, l'injection intrapéritonéale de 2,5 g/kg de poids corporel administrée à des souris a montré une accumulation de zinc dans le cœur, le foie, la rate, les poumons, les reins et les testicules. Une augmentation de près de neuf fois des nanoparticules d'oxyde de zinc dans le foie a été observée après 72 h. Il a été démontré que les nanoparticules d'oxyde de zinc ont une meilleure efficacité dans la biodistribution du foie, de la rate et des reins que chez les souris nourries par voie orale. Étant donné que les nanoparticules d'oxyde de zinc sont inoffensives à de faibles concentrations, elles stimulent certaines enzymes chez l'homme et les plantes et suppriment les maladies. Singh et al. [52] ont également récemment examiné la biosynthèse des nanoparticules d'oxyde de zinc, leur absorption, leur translocation et leur biotransformation dans le système végétal.

Dans cette revue, nous avons tenté de consolider toutes les informations concernant les nanoparticules d'oxyde de zinc en tant qu'agent antibactérien. Le mécanisme d'interaction des nanoparticules d'oxyde de zinc contre une variété de microbes a également été discuté en détail.

Activité antimicrobienne des nanoparticules d'oxyde de zinc

Il est universellement connu que les nanoparticules d'oxyde de zinc sont antibactériennes et inhibent la croissance des micro-organismes en pénétrant dans la membrane cellulaire. Le stress oxydatif endommage les lipides, les glucides, les protéines et l'ADN [53]. La peroxydation lipidique est évidemment la plus cruciale qui conduit à une altération de la membrane cellulaire qui finit par perturber les fonctions cellulaires vitales [54]. Il a été soutenu par un mécanisme de stress oxydatif impliquant des nanoparticules d'oxyde de zinc dans Escherichia coli [55]. Cependant, pour la suspension d'oxyde de zinc en vrac, génération externe de H₂ O₂ a été suggérée pour décrire les propriétés antibactériennes [56]. Aussi, la toxicité des nanoparticules, libérant des ions toxiques, a été prise en compte. Étant donné que l'oxyde de zinc est de nature amphotère, il réagit à la fois avec les acides et les alcalis en donnant du Zn ²⁺ ions.

Le Zn ²⁺ gratuit les ions se lient immédiatement aux biomolécules telles que les protéines et les glucides, et toutes les fonctions vitales des bactéries cessent de continuer. La toxicité de l'oxyde de zinc, des nanoparticules de zinc et du ZnSO₄ ·7H₂ O a été testé (tableau 1) contre Vibrio fischeri . Il a été constaté que ZnSO₄ ·7H₂ O est six fois plus toxique que les nanoparticules d'oxyde de zinc et l'oxyde de zinc. Les nanoparticules sont en fait dispersées dans le solvant, non dissoutes, et par conséquent, elles ne peuvent pas libérer de Zn ²⁺ ions. La biodisponibilité du Zn ²⁺ ions n'est pas toujours à 100 % et peut invariablement changer avec le pH physiologique, le potentiel redox et les anions qui lui sont associés, tels que Cl ⁻ ou SO₄ ²⁻ .

La solubilité de l'oxyde de zinc (1,6 à 5,0 mg/L) en milieu aqueux est supérieure à celle des nanoparticules d'oxyde de zinc (0,3 à 3,6 mg/L) dans le même milieu [57] qui est toxique pour les algues et les crustacés. L'oxyde de nano-zinc et l'oxyde de zinc en vrac sont 40 à 80 fois moins toxiques que le ZnSO₄ contre V. fischeri . L'activité antibactérienne plus élevée du ZnSO₄ est directement proportionnel à sa solubilité libérant Zn ²⁺ ions, qui a une mobilité plus élevée et une plus grande affinité [58] envers les biomolécules dans la cellule bactérienne en raison de la charge positive sur le Zn ²⁺ et une charge négative sur les biomolécules.

L'oxyde de zinc et ses nanoparticules ayant une solubilité limitée, ils sont moins toxiques pour les microbes que le ZnSO₄ hautement soluble. ·7H₂ O. Cependant, il n'est pas essentiel que les nanoparticules d'oxyde métallique pénètrent dans la cellule bactérienne pour provoquer une toxicité [59]. Le contact entre les nanoparticules et la paroi cellulaire est suffisant pour provoquer une toxicité. Si c'est correct, alors de grandes quantités de nanoparticules métalliques sont nécessaires pour que les cellules bactériennes soient complètement enveloppées et protégées de leur environnement, ne laissant aucune chance à la nutrition d'être absorbée pour poursuivre le processus de vie. Étant donné que les nanoparticules et les ions métalliques sont plus petits que les cellules bactériennes, il est plus probable qu'ils perturbent la membrane cellulaire et inhibent leur croissance.

Un certain nombre d'oxydes métalliques de taille nanométrique tels que ZnO, CuO, Al₂ O₃ , La₂ O₃ , Fe₂ O₃ , SnO₂ , et TiO₂ se sont avérés présenter la toxicité la plus élevée contre E. coli [49]. Les nanoparticules d'oxyde de zinc sont utilisées en externe pour le traitement des infections bactériennes bénignes, mais l'ion zinc est un oligo-élément essentiel pour certains virus et êtres humains qui augmentent l'activité enzymatique de l'intégrase virale [45, 60, 61]. Il a également été soutenu par une augmentation du virus de la nécrose pancréatique infectieuse de 69,6 % lorsqu'il est traité avec 10 mg/L de Zn [46]. Cela peut être dû à une plus grande solubilité des ions Zn par rapport au ZnO seul. Les images SEM et MET ont montré que les nanoparticules d'oxyde de zinc endommagent la paroi cellulaire bactérienne [55, 62] et augmentent la perméabilité suivie de leur accumulation dans E. coli empêchant leur multiplication [63].

Dans un passé récent, l'activité antibactérienne des nanoparticules d'oxyde de zinc a été étudiée contre quatre bactéries gram-positives et gram-négatives connues, à savoir Staphylococcus aureus , E. coli , Salmonella typhimurium , et Klebsiella pneumoniae . Il a été observé que la dose inhibant la croissance des nanoparticules d'oxyde de zinc était de 15 μg/ml, bien que dans le cas de K. pneumonie , il était aussi bas que 5 μg/ml [63, 64]. Il a été remarqué qu'avec l'augmentation de la concentration de nanoparticules, l'inhibition de la croissance des microbes augmente. Lorsqu'elles ont été incubées sur une période de 4 à 5 h avec une concentration maximale de nanoparticules d'oxyde de zinc de 45 μg/ml, la croissance a été fortement inhibée. On s'attend à ce que si le temps d'incubation est augmenté, l'inhibition de la croissance augmenterait également sans beaucoup de modification du mécanisme d'action [63].

Il a été rapporté que les nanoparticules d'oxyde métallique endommagent d'abord la membrane cellulaire bactérienne puis s'y imprègnent [64]. Il a également été proposé que la libération de H₂ O₂ peut être une alternative à l'activité antibactérienne [65]. Cette proposition nécessite cependant des preuves expérimentales car la simple présence de nanoparticule d'oxyde de zinc ne suffit pas à produire H₂ O₂ . Les nanoparticules de zinc ou les nanoparticules d'oxyde de zinc de concentration extrêmement faible ne peuvent pas provoquer de toxicité dans le système humain. L'apport quotidien de zinc via la nourriture est nécessaire pour mener à bien les fonctions métaboliques régulières. L'oxyde de zinc est connu pour protéger l'estomac et le tractus intestinal des dommages causés par E. coli [65]. Le pH dans l'estomac varie entre 2 et 5, et par conséquent, l'oxyde de zinc dans l'estomac peut réagir avec l'acide pour produire du Zn ²⁺ ions. Ils peuvent aider à activer l'enzyme carboxy peptidase, l'anhydrase carbonique et l'alcool déshydrogénase qui aident à la digestion des glucides et de l'alcool. Premanathan et al. [66] ont rapporté la toxicité des nanoparticules d'oxyde de zinc contre les cellules procaryotes et eucaryotes. La CMI des nanoparticules d'oxyde de zinc contre E. coli , Pseudomonas aeruginosa , et S. aureus ont été trouvés à 500 et 125 μg/ml, respectivement. Deux mécanismes d'action ont été proposés pour la toxicité des nanoparticules d'oxyde de zinc, à savoir (1) la génération de ROS et (2) l'induction de l'apoptose. Les nanoparticules d'oxyde métallique induisent la production de ROS et soumettent les cellules à un stress oxydatif causant des dommages aux composants cellulaires, à savoir les lipides, les protéines et l'ADN [67,68,69]. Les nanoparticules d'oxyde de zinc induisent donc une toxicité par apoptose. Ils sont relativement plus toxiques pour les cellules cancéreuses que les cellules normales, bien qu'ils ne puissent pas les distinguer.

Récemment, Pati et al. [70] ont montré que les nanoparticules d'oxyde de zinc perturbent l'intégrité de la membrane cellulaire bactérienne, réduisent l'hydrophobie de la surface cellulaire et régulent négativement la transcription des gènes de résistance au stress oxydatif chez les bactéries. Ils améliorent la destruction bactérienne intracellulaire en induisant la production de ROS. Ces nanoparticules perturbent la formation de biofilm et inhibent l'hémolyse par la toxine hémolysine produite par les agents pathogènes. Il a été constaté que l'administration intradermique de nanoparticules d'oxyde de zinc réduisait considérablement l'infection et l'inflammation de la peau chez la souris et améliorait également l'architecture de la peau infectée.

Solubilité et activité dépendante de la concentration des nanoparticules d'oxyde de zinc

Les nanoparticules ont également été utilisées comme support pour administrer des agents thérapeutiques pour traiter une infection bactérienne [1, 9]. Étant donné que les nanoparticules d'oxyde de zinc jusqu'à une concentration de 100 μg/ml sont inoffensives pour les cellules normales du corps, elles peuvent être utilisées comme alternative aux antibiotiques. Il a été constaté que 90 % des colonies bactériennes périssent après les avoir exposées à une dose de 500 à 1 000 μg/ml de nanoparticules d'oxyde de zinc pendant 6 h seulement. Même le S. aureus , Mycobacterium smegmatis , et Mycobacterium bovis lorsqu'ils sont traités avec des nanoparticules d'oxyde de zinc en combinaison avec une faible dose de médicament antituberculeux, la rifampicine (0,7 μg/ml), une réduction significative de leur croissance a été observée. Ces agents pathogènes ont été complètement détruits lorsqu'ils ont été incubés pendant 24 h avec 1000 μg/ml de nanoparticules d'oxyde de zinc. Il est donc conclu que si la même dose est répétée, le patient atteint de telles maladies infectieuses peut être complètement guéri. Il a également été noté que la taille des nanoparticules d'oxyde de zinc comprise entre 50 et 500 nm a un effet identique sur l'inhibition de la croissance bactérienne.

La cytotoxicité de l'oxyde de zinc a été étudiée par de nombreux chercheurs dans une variété de microbes et de systèmes végétaux [71,72,73,74]. La toxicité des nanoparticules d'oxyde de zinc dépend de la concentration et de la solubilité. Il a été démontré que la concentration d'exposition maximale de la suspension d'oxyde de zinc (125 mg/l) libère 6,8 mg/l de Zn ²⁺ ions. La toxicité est un effet combiné des nanoparticules d'oxyde de zinc et du Zn ²⁺ ions libérés dans le milieu aqueux. Cependant, un effet minimal des ions métalliques a été détecté, ce qui suggère que l'inhibition de la croissance bactérienne est principalement due à l'interaction des nanoparticules d'oxyde de zinc avec des micro-organismes. L'effet cytotoxique d'une nanoparticule d'oxyde métallique particulière est sensible aux espèces, ce qui se traduit par la zone d'inhibition de la croissance de plusieurs bactéries [75].

Il a été suggéré que l'inhibition de la croissance des cellules bactériennes se produit principalement par Zn ²⁺ ions produits par dissolution extracellulaire de nanoparticules d'oxyde de zinc [76]. Cho et al. [77] ont conclu à partir de leurs études sur des rats que les nanoparticules d'oxyde de zinc restent intactes à environ pH neutre ou biologique mais se dissolvent rapidement dans des conditions acides (pH 4,5) dans le lysosome des microbes entraînant leur mort. Cela est vrai car dans des conditions acides, l'oxyde de zinc se dissout et Zn ²⁺ des ions sont produits, qui se lient aux biomolécules à l'intérieur de la cellule bactérienne, inhibant leur croissance.

Les nanoparticules d'oxyde de zinc se sont avérées cytotoxiques pour différentes cellules primaires immunocompétentes. L'analyse transcriptomique a montré que les nanoparticules avaient une signature génique commune avec une régulation positive des gènes des métallothionéines attribuée à la dissolution des nanoparticules [78]. Cependant, il n'a pas pu être établi si le zinc absorbé était Zn ²⁺ ou l'oxyde de zinc ou les deux, bien que les nanoparticules d'oxyde de zinc de plus petite taille aient une concentration plus élevée dans le sang que les plus grandes (19 et>   100 nm). L'efficacité des nanoparticules d'oxyde de zinc dépend principalement du milieu de réaction pour former le Zn ²⁺ et leur pénétration dans la cellule.

Chiang et al. [79] ont rapporté que la dissociation des nanoparticules d'oxyde de zinc entraîne la destruction de l'homéostasie cellulaire du Zn. Les propriétés caractéristiques des nanoparticules et leur impact sur les fonctions biologiques sont totalement différentes de celles du matériau en vrac [80]. L'agrégation des nanoparticules influence la cytotoxicité des macrophages, et leur concentration aide à moduler l'agrégation des nanoparticules. Une faible concentration de nanoparticules d'oxyde de zinc est inefficace, mais à une concentration plus élevée (100 μg/ml), elles présentent une cytotoxicité qui varie d'un agent pathogène à l'autre.

L'utilisation par inadvertance de nanoparticules d'oxyde de zinc peut parfois nuire au système vivant. Leur apoptose et leur potentiel génotoxique dans les cellules hépatiques humaines et leur toxicité cellulaire ont été étudiés. Il a été constaté qu'une diminution de la viabilité des cellules hépatiques se produit lorsqu'elles sont exposées à 14-20 μg/ml de nanoparticules d'oxyde de zinc pendant 12 h. Il a également induit des dommages à l'ADN par le stress oxydatif. Sawai et al. [56] ont démontré que la génération de ROS est directement proportionnelle à la concentration de poudre d'oxyde de zinc. Les ROS ont déclenché une diminution du potentiel membranaire des mitochondries conduisant à l'apoptose [81]. L'absorption cellulaire de nanoparticules n'est pas obligatoire pour que la cytotoxicité se produise.

Activité antibactérienne dépendante de la taille des nanoparticules d'oxyde de zinc

Dans une étude, Azam et al. [82] ont rapporté que l'activité antimicrobienne contre les bactéries gram-négatives (E. coli et P. aeruginosa ) et à Gram positif (S. et Bacillus subtilis ) les bactéries ont augmenté avec l'augmentation du rapport surface-volume en raison d'une diminution de la taille des particules de nanoparticules d'oxyde de zinc. De plus, dans cette étude, les nanoparticules d'oxyde de zinc ont montré une inhibition maximale de la croissance bactérienne (25 mm) contre B. subtilis (Fig. 1).

Activité antibactérienne et/ou zone d'inhibition produite par les nanoparticules d'oxyde de zinc contre les souches bactériennes gram-positives et gram-négatives à savoir a Escherichia coli , b Staphylococcus aureus , c Pseudomonas aeruginosa , et d Bacillus subtilis [82]

Il a été rapporté que la plus petite taille des nanoparticules d'oxyde de zinc présente une activité antibactérienne supérieure à celle des particules microscopiques [83]. Par exemple, Au ⁵⁵ Il a été démontré que des nanoparticules de 1,4 nm interagissent avec les principaux sillons de l'ADN, ce qui explique sa toxicité [84]. Bien que des résultats contradictoires aient été rapportés, de nombreux chercheurs ont montré un effet positif des nanoparticules d'oxyde de zinc sur les cellules bactériennes. Cependant, Brayner et al. [63] à partir d'images MET ont montré que des nanoparticules d'oxyde de zinc de 10 à 14 nm étaient internalisées (lorsqu'elles étaient exposées à des microbes) et endommageaient la membrane cellulaire bactérienne. Il est également essentiel que les nanoparticules de zinc/oxyde de zinc ne soient pas toxiques pour l'homme car elles sont toxiques pour les cellules T au-dessus de 5 mM [85] et pour les cellules de neuroblastome au-dessus de 1,2 mM [86]. Nair et al. [87] ont exclusivement exploré l'effet de taille des nanoparticules d'oxyde de zinc sur la toxicité des cellules bactériennes et humaines. Ils ont étudié l'influence des nanoparticules d'oxyde de zinc sur les bactéries gram-positives et gram-négatives et les lignées cellulaires cancéreuses ostéoblastiques (MG-63).

Il est connu que l'activité antibactérienne des nanoparticules d'oxyde de zinc est inversement proportionnelle à leur taille et directement proportionnelle à leur concentration [88]. Il a également été remarqué qu'il ne nécessite pas de lumière UV pour l'activation; il fonctionne sous un ensoleillement normal ou même diffus. L'activité cytotoxique implique peut-être à la fois la production de ROS et l'accumulation de nanoparticules dans le cytoplasme ou sur la membrane cellulaire externe. Cependant, la production de H₂ O₂ et son implication dans l'activation des nanoparticules ne peut être ignorée. Raghupathi et al. [88] ont synthétisé des nanoparticules d'oxyde de zinc à partir de différents sels de zinc et observé que les nanoparticules obtenues à partir de Zn(NO₃ )₂ étaient les plus petites en taille (12 nm) et les plus grandes en superficie (90,4). Les auteurs ont montré que l'inhibition de la croissance de S. aureus à une concentration de 6 mM de nanoparticules d'oxyde de zinc dépend de la taille. Il a également été indiqué à partir de la détermination de cellules viables lors de l'exposition de cellules bactériennes à des nanoparticules d'oxyde de zinc que le nombre de cellules récupérées diminuait significativement avec la diminution de la taille des nanoparticules d'oxyde de zinc. Jones et al. [89] ont montré que des nanoparticules d'oxyde de zinc de 8 nm de diamètre inhibaient la croissance de S. aureus , E. coli , et B. subtilis. Des nanoparticules d'oxyde de zinc comprises entre 12 et 307 nm ont été sélectionnées et ont confirmé la relation entre l'activité antibactérienne et leur taille. Leur toxicité pour les microbes a été attribuée à la formation de Zn ²⁺ ions de l'oxyde de zinc lorsqu'il est en suspension dans l'eau et aussi dans une certaine mesure à un léger changement de pH. Depuis Zn ²⁺ les ions sont à peine libérés par les nanoparticules d'oxyde de zinc, l'activité antibactérienne est principalement due aux nanoparticules d'oxyde de zinc plus petites. Lorsque la taille est de 12 nm, elle inhibe la croissance de S. aureus , mais lorsque la taille dépasse 100 nm, l'effet inhibiteur est minime [89].

Forme, composition et cytotoxicité des nanoparticules d'oxyde de zinc

Les nanoparticules d'oxyde de zinc ont montré une cytotoxicité de manière dépendante de la concentration et du type de cellules exposées en raison de sensibilités différentes [90, 91]. Sahu et al. [90] ont mis en évidence la différence de cytotoxicité entre la taille des particules et la sensibilité différente des cellules vis-à-vis des particules de même composition. Dans une autre étude récente, Ng et al. [91] ont examiné la cytotoxicité concentration-dépendante dans des cellules pulmonaires humaines MRC5. Les auteurs ont signalé l'absorption et l'internalisation de nanoparticules d'oxyde de zinc dans les cellules pulmonaires humaines MRC5 en utilisant l'investigation MET. Ces particules ont été remarquées dans le cytoplasme des cellules sous la forme d'amas denses aux électrons, qui sont en outre enfermés par des vésicules, tandis que les nanoparticules d'oxyde de zinc n'ont pas été trouvées dans les cellules témoins non traitées. Papavlassopoulos et al. [92] ont synthétisé des tétrapodes de nanoparticules d'oxyde de zinc par une voie entièrement nouvelle connue sous le nom d'« approche de synthèse par transport de flamme ». Les tétrapodes ont une morphologie différente de celle des nanoparticules d'oxyde de zinc synthétisées de manière conventionnelle. Leur interaction avec des cellules de fibroblastes de mammifères in vitro a indiqué que leur toxicité est significativement inférieure à celle des nanoparticules sphériques d'oxyde de zinc. Les tétrapodes présentaient une structure cristalline de wurtzite hexagonale avec une alternance de Zn ²⁺ et O ²⁻ ions à géométrie tridimensionnelle. Ils bloquent l'entrée des virus dans les cellules vivantes, ce qui est encore amélioré en les illuminant avec précision avec un rayonnement UV. Étant donné que les tétrapodes d'oxyde de zinc ont des lacunes d'oxygène dans leur structure, l'Herpès simplex les virus sont attachés via le sulfate d'héparane et l'entrée dans les cellules du corps est refusée. Ainsi, ils empêchent l'infection par HSV-1 et HSV-2 in vitro. Les tétrapodes d'oxyde de zinc peuvent donc être utilisés comme agent prophylactique contre ces infections virales. La cytotoxicité des nanoparticules d'oxyde de zinc dépend également du taux de prolifération des cellules de mammifères [66, 93]. La réactivité de surface et la toxicité peuvent également être modifiées en contrôlant le manque d'oxygène dans les tétrapodes d'oxyde de zinc. Lorsqu'ils sont exposés à la lumière UV, le manque d'oxygène dans les tétrapodes est facilement augmenté. Alternativement, le manque d'oxygène peut être diminué en les chauffant dans un environnement riche en oxygène. Ainsi, c'est la propriété unique des tétrapodes d'oxyde de zinc qui peuvent être modifiés à volonté, ce qui altère par conséquent leur efficacité antimicrobienne.

Des études chez l'animal ont indiqué une augmentation de l'inflammation pulmonaire, du stress oxydatif, etc. sur l'exposition respiratoire aux nanoparticules [94]. Yang et al. [95] ont étudié la cytotoxicité, la génotoxicité et le stress oxydatif des nanoparticules d'oxyde de zinc sur des cellules de fibroblastes embryonnaires primaires de souris. Il a été observé que les nanoparticules d'oxyde de zinc induisaient une cytotoxicité significativement plus importante que celle induite par le carbone et le SiO₂ nanoparticules. Cela a été confirmé en mesurant l'épuisement du glutathion, la production de malondialdéhyde, l'inhibition de la superoxyde dismutase et la génération de ROS. Les effets cytotoxiques potentiels de différentes nanoparticules ont été attribués à leur forme.

Nanoparticules enrobées de polymère

De nombreuses infections bactériennes sont transmises par contact avec les poignées de porte, les claviers, les robinets d'eau, les baignoires et les téléphones; par conséquent, il est essentiel de développer et de revêtir de telles surfaces avec des substances antibactériennes avancées peu coûteuses afin que leur croissance soit inhibée. Il est important d'utiliser de telles concentrations de substances antibactériennes qu'elles peuvent tuer les agents pathogènes mais épargner les êtres humains. Cela ne peut arriver que s'ils sont enrobés d'un polymère hydrophile biocompatible de faible coût. Schwartz et al. [96] ont rapporté la préparation d'un nouvel hydrogel de matériau composite antimicrobien en mélangeant un poly biocompatible (N -isopropylacrylamide) avec des nanoparticules d'oxyde de zinc. L'image SEM du film composite a montré une distribution uniforme des nanoparticules d'oxyde de zinc. Il présentait une activité antibactérienne contre E. coli à une très faible concentration en oxyde de zinc (1,33 mM). En outre, le revêtement s'est avéré non toxique pour la lignée cellulaire de mammifère (N1H/3T3) pendant une période de 1 semaine. Le nanocomposite d'oxyde de zinc/hydrogel peut être utilisé en toute sécurité comme revêtement biomédical pour empêcher les personnes de contracter des infections bactériennes.

Bien que les nanoparticules d'oxyde de zinc soient stables, elles ont été encore stabilisées en les enrobant de différents polymères tels que la polyvinylpyrolidone (PVP), l'alcool polyvinylique ( PVA), le poly (acide α, γ, l-glutamique) (PGA), le polyéthylène glycol (PEG), le chitosane et le dextrane [97, 98]. L'activité antibactérienne des nanoparticules d'oxyde de zinc modifiées a été examinée contre des agents pathogènes à Gram négatif et à Gram positif, à savoir E. coli et S. aureus et par rapport à la poudre d'oxyde de zinc du commerce. Les nanoparticules d'oxyde de zinc sphériques recouvertes de polymère ont montré une destruction bactérienne maximale par rapport à la poudre d'oxyde de zinc en vrac [99]. Étant donné que les nanoparticules enrobées de polymères sont moins toxiques en raison de leur faible solubilité et de leur libération prolongée, leur cytotoxicité peut être contrôlée en les enrobant d'un polymère approprié.

Effect of Particle Size and Shape of Polymer-Coated Nanoparticles on Antibacterial Activity

E. coli and S. aureus exposed to different concentrations of poly ethylene glycol (PEG)-coated zinc oxide nanoparticles (1–7 mM) of varying size (401 nm–1.2 μm) showed that the antimicrobial activity increases with decreasing size and increasing concentration of nanoparticles. However, the effective concentration in all these cases was above 5 mM. There occurs a drastic change in cell morphology of E. coli surface which can be seen from the SEM images of bacteria before and after their exposure to zinc oxide nanoparticles [84]. It has been nicely demonstrated by Nair et al. [87] that PEG-capped zinc oxide particles and zinc oxide nanorods are toxic to human osteoblast cancer cells (MG-63) at concentration above 100 μM. The PEG starch-coated nanorods/nanoparticles do not damage the healthy cells.

In Vivo and In Vitro Antimicrobial Activity for Wound Dressing

Of all natural and synthetic wound dressing materials, the chitosan hydrogel microporous bandages laced with zinc oxide nanoparticles developed by Kumar et al. [100] are highly effective in treating burns, wounds, and diabetic foot ulcers. The nanoparticles of approximately 70–120 nm are dispersed on the surface of the bandage. The degradation products of chitosan were identified as d-glucosamine and glycosamine glycan. They are nontoxic to the cells because they are already present in our body for the healing of injury. The wound generally contains P. aeruginosa , S. intermedicus , and S. hyicus which were also identified from the swab of mice wound and successfully treated with chitosan zinc oxide bandage in about 3 weeks [100].

Effect of Doping on Toxicity of Zinc Oxide Nanoparticles

Doping of zinc oxide nanoparticles with iron reduces the toxicity. The concentration of Zn ²⁺ and zinc oxide nanoparticles is also an important factor for toxicity. The concentration that reduced 50% viability in microbial cells exposed to nano- and microsize zinc oxide is very close to the concentration of Zn ²⁺ that induced 50% reduction in viability in Zn ²⁺ -treated cells [101, 102].

Coating of zinc oxide nanoparticles with mercaptopropyl trimethoxysilane or SiO₂ reduces their cytotoxicity [103]. On the contrary, Gilbert et al. [104] showed that in BEAS-2B cells, uptake of zinc oxide nanoparticles is the main mechanism of zinc accumulation. Also, they have suggested that zinc oxide nanoparticles dissolve completely generating Zn ²⁺ ions which are bonded to biomolecules of the target cells. However, the toxicity of zinc oxide nanoparticles depends on the uptake and their subsequent interaction with target cells.

Interaction Mechanism of Zinc Oxide Nanoparticles

Nanoparticles may be toxic to some microorganisms, but they may be essential nutrients to some of them [55, 105]. Nanotoxicity is essentially related to the microbial cell membrane damage leading to the entry of nanoparticles into the cytoplasm and their accumulation [55]. The impact of nanoparticles on the growth of bacteria and viruses largely depends on particle size, shape, concentration, agglomeration, colloidal formulation, and pH of the media [106,107,108]. The mechanism of antimicrobial activity of zinc oxide nanoparticles has been depicted in Fig. 2.

Mechanisms of zinc oxide nanoparticle antimicrobial activity

Zinc oxide nanoparticles are generally less toxic than silver nanoparticles in a broad range of concentrations (20 to 100 mg/l) with average particle size of 480 nm [55, 62, 63]. Metal oxide nanoparticles damage the cell membrane and DNA [63, 109,110,111] of microbes via diffusion. However, the production of ROS through photocatalysis causing bacterial cell death cannot be ignored [112]. UV-Vis spectrum of zinc oxide nanoparticle suspension in aqueous medium exhibits peaks between 370 and 385 nm [113]. It has been shown that it produces ROS (hydroxyl radicals, superoxides, and hydrogen peroxide) in the presence of moisture which ostensibly react with bacterial cell material such as protein, lipids, and DNA, eventually causing apoptosis. Xie et al. [114] have examined the influence of zinc oxide nanoparticles on Campylobacter jejuni cell morphology using SEM images (Fig. 3). After a 12-h treatment (0.5 mg/ml), C. jejuni was found to be extremely sensitive and cells transformed from spiral shape to coccoid forms. SEM studies showed the ascendency of coccoid forms in the treated cells and display the formation of irregular cell surfaces and cell wall blebs (Fig. 3a). Moreover, these coccoid cells remained intact and possessed sheathed polar flagella. However, SEM image of the untreated cells clearly showed spiral shapes (Fig. 3b). In general, it has been demonstrated from SEM and TEM images of bacterial cells treated with zinc oxide nanoparticles that they get ruptured and, in many cases, the nanoparticles damage the cell wall forcing their entry into it [114, 115].

SEM images of Campylobacter jejuni . un Untreated cells from the same growth conditions were used as a control. b C. jejuni cells in the mid-log phase of growth were treated with 0.5 mg/ml of zinc oxide nanoparticles for 12 h under microaerobic conditions [114]

Zinc oxide nanoparticles have high impact on the cell surface and may be activated when exposed to UV-Vis light to generate ROS (H₂ O₂ ) which permeate into the cell body while the negatively charged ROS species such as O₂ ²⁻ remain on the cell surface and affect their integrity [116, 117]. Anti-bacterial activity of zinc oxide nanoparticles against many other bacteria has also been reported [1, 5, 114, 115]. It has been shown from TEM images that the nanoparticles have high impact on the cell surface (Fig. 4).

un TEM images of untreated normal Salmonella typhimurium cellules. b Effects of nanoparticles on the cells (marked with arrows). c , d Micrograph of deteriorated and ruptured S. typhimurium cells treated with zinc oxide nanoparticles [115]

Sinha et al. [118] have also shown the influence of zinc oxide nanoparticles and silver nanoparticles on the growth, membrane structure, and their accumulation in cytoplasm of (a) mesophiles:Enterobacter sp. (gram negative) and B. subtilis (gram positive) and (b) halophiles:halophilic bacterium sp. (gram positive) and Marinobacter sp. (gram negative). Nanotoxicity of zinc oxide nanoparticles against halophilic gram-negative Marinobacter species and gram-positive halophilic bacterial species showed 80% growth inhibition. It was demonstrated that zinc oxide nanoparticles below 5 mM concentration are ineffective against bacteria. The bulk zinc oxide also did not affect the growth rate and viable counts, although they showed substantial decrease in these parameters. Enterobacter species showed dramatic alterations in cell morphology and reduction in size when treated with zinc oxide.

TEM images shown by Akbar and Anal [115] revealed the disrupted cell membrane and accumulation of zinc oxide nanoparticles in the cytoplasm (Fig. 4) which was further confirmed by FTIR, XRD, and SEM. It has been suggested that Zn ²⁺ ions are attached to the biomolecules in the bacterial cell via electrostatic forces. They are actually coordinated with the protein molecules through the lone pair of electrons on the nitrogen atom of protein part. Although there is significant impact of zinc oxide nanoparticles on both the aquatic and terrestrial microorganisms and human system, it is yet to be established whether it is due to nanoparticles alone or is a combined effect of the zinc oxide nanoparticles and Zn ²⁺ ions [55, 106, 109, 119]. Antibacterial influence of metal oxide nanoparticles includes its diffusion into the bacterial cell, followed by release of metal ions and DNA damage leading to cell death [63, 109,110,111]. The generation of ROS through photocatalysis is also a reason of antibacterial activity [62, 112]. Wahab et al. [120] have shown that when zinc oxide nanoparticles are ingested, their surface area is increased followed by increased absorption and interaction with both the pathogens and the enzymes. Zinc oxide nanoparticles can therefore be used in preventing the biological system from infections. It is clear from TEM images (Fig. 5a, b) of E. coli incubated for 18 h with MIC of zinc oxide nanoparticles that they had adhered to the bacterial cell wall. The outer cell membrane was ruptured leading to cell lysis. In some cases, the cell cleavage of the microbes has not been noticed, but the zinc oxide nanoparticles can yet be seen entering the inner cell wall (Fig. 5c, d). As a consequence of it, the intracellular material leaks out leading to cell death, regardless of the thickness of bacterial cell wall.

TEM images of Escherichia coli (un ), zinc oxide nanoparticles with E. coli at different stages (b and inset), Klebsiella pneumoniae (c ), and zinc oxide nanoparticles with K. pneumoniae (d and inset) [120]

Mechanism of interaction of zinc oxide nanoparticles with bacterial cells has been outlined below [120]. Zinc oxide absorbs UV-Vis light from the sun and splits the elements of water.

Dissolved oxygen molecules are transformed into superoxide, O₂ ⁻ , which in turn reacts with H ⁺ to generate HO₂ radical and after collision with electrons produces hydrogen peroxide anion, HO₂ ⁻ . They subsequently react with H ⁺ ions to produce H₂ O₂ .

It has been suggested that negatively charged hydroxyl radicals and superoxide ions cannot penetrate into the cell membrane. The free radicals are so reactive that they cannot stay in free and, therefore, they can either form a molecule or react with a counter ion to give another molecule. However, it is true that zinc oxide can absorb sun light and help in cleaving water molecules which may combine in many ways to give oxygen. Mechanism of oxygen production in the presence of zinc oxide nanoparticles still needs experimental evidence.

Zinc oxide at a dose of 5 μg/ml has been found to be highly effective for all the microorganisms which can be taken as minimum inhibitory dose.

Conclusions

Zinc is an indispensable inorganic element universally used in medicine, biology, and industry. Its daily intake in an adult is 8–15 mg/day, of which approximately 5–6 mg/day is lost through urine and sweat. Also, it is an essential constituent of bones, teeth, enzymes, and many functional proteins. Zinc metal is an essential trace element for man, animal, plant, and bacterial growth while zinc oxide nanoparticles are toxic to many fungi, viruses, and bacteria. People with inherent genetic deficiency of soluble zinc-binding protein suffer from acrodermatitis enteropathica, a genetic disease indicated by python like rough and scaly skin. Although conflicting reports have been received about nanoparticles due to their inadvertent use and disposal, some metal oxide nanoparticles are useful to men, animals, and plants. The essential nutrients become harmful when they are taken in excess. Mutagenic potential of zinc oxide has not been thoroughly studied in bacteria even though DNA-damaging potential has been reported. It is true that zinc oxide nanoparticles are activated by absorption of UV light without disturbing the other rays. If zinc oxide nanoparticles produce ROS, they can damage the skin and cannot be used as sun screen. Antibacterial activity may be catalyzed by sunlight, but hopefully, it can prevent the formation of ROS. Zinc oxide nanoparticles and zinc nanoparticles coated with soluble polymeric material may be used for treating wounds, ulcers, and many microbial infections besides being used as drug carrier in cancer therapy. It has great potential as a safe antibacterial drug which may replace antibiotics in future. Application of zinc oxide nanoparticles in different areas of science, medicine, and technology suggests that it is an indispensable substance which is equally important to man and animals. However, longtime exposure with higher concentration may be harmful to living system.