Nanocząstki Li₂O – przełom w oczyszczaniu wody i terapii psychiatrycznej

Czy nanocząstki Li₂O otwierają nowe perspektywy w terapii i ochronie środowiska?

Nanonadzieja w terapii i oczyszczaniu środowiska – podwójny potencjał nanocząstek tlenku litu w adsorpcji leków psychiatrycznych i potencjalnych zastosowaniach medycznych wzbudza coraz większe zainteresowanie naukowców. Najnowsze badania koncentrują się na zastosowaniu nanocząstek tlenku litu (Li₂O-NPs) otrzymanych metodą zielonej syntezy do usuwania escitalopramu oksalanu (OxE) ze ścieków oraz ocenie ich bezpieczeństwa biologicznego.

Escitalopram oksalan, szeroko stosowany w leczeniu zaburzeń psychicznych takich jak stres, lęk i depresja, stanowi poważne zagrożenie środowiskowe ze względu na swoją toksyczność, stabilność chemiczną i słabą biodegradowalność. Konwencjonalne metody oczyszczania ścieków często nie są w stanie skutecznie usunąć tego typu farmaceutyków, co prowadzi do ich akumulacji w środowisku wodnym.

W odpowiedzi na te wyzwania, naukowcy opracowali innowacyjną metodę syntezy Li₂O-NPs przy użyciu ekstraktu z Mentha arvensis (mięty polnej). Ekstrakt roślinny działa jako bioreduktor dla prekursora metalicznego dzięki obecności związków bioaktywnych, takich jak flawonoidy i terpenoidy, co umożliwia ekologiczną syntezę nanocząstek. Proces syntezy obejmował zmieszanie 200 ml ekstraktu z M. arvensis z 200 ml roztworu chlorku litu (LiCl, 0,3 mol L^-1) przy mieszaniu magnetycznym (200 obr/min, 25 ± 2°C przez 2 godz.). Następnie osad suszono (80°C przez 72 godz.) i kalcynowano (400°C/2 godz./10°C min^-1).

Czy fizykochemiczna charakterystyka Li₂O-NPs potwierdza ich potencjał?

Charakterystyka fizykochemiczna wykazała, że otrzymane Li₂O-NPs posiadają strukturę antyfluorytową z wielkością krystalitów około 5,85 ± 1,2 nm. Parametr sieci obliczony z piku przy 2θ = 28,12° (101) wynosił a = 4,48 Å. Analiza FTIR potwierdziła obecność charakterystycznych grup funkcyjnych, w tym drgań rozciągających wiązań hydroksylowych (•OH) wody zaadsorbowanej na powierzchni Li₂O-NPs przy 3400 i 1600 cm^-1, asymetrycznych drgań rozciągających C-H przy 1500-1400 cm^-1, drgań rozciągających C=C przy 900 cm^-1, oraz symetrycznych drgań rozciągających Li-O przy 700-800 cm^-1 i symetrycznych drgań zginających O-Li-O przy 500-600 cm^-1.

Badania mikroskopowe ujawniły nieregularną powierzchnię z obecnością małych klastrów, typowych dla nanocząstek tlenków metali. Analiza porozymetryczna wykazała, że nanocząstki charakteryzują się mezoporowatością, z powierzchnią właściwą 3,7 ± 0,1 m²/g, średnicą porów 41,6 ± 2,6 nm i objętością porów 0,02 ± 0,002 cm³/g. Potencjał zeta wynosił -22,3 ± 1,4 mV, co wskazuje na umiarkowany ujemny ładunek powierzchniowy i dobrą stabilność w środowisku wodnym.

“Nasze badania wykazały, że Li₂O-NPs charakteryzują się mezoporowatością i umiarkowanym ujemnym ładunkiem powierzchniowym, co zapewnia dobrą stabilność w środowisku wodnym” – podkreślają autorzy badania.

Analiza termograwimetryczna (TGA) wykazała około 26% utraty masy w pierwszym zakresie temperatur (100-200°C), prawdopodobnie z powodu utraty wody i niektórych pozostałości organicznych obecnych w składzie Li₂O-NPs. Około 30% utraty masy zaobserwowano do 210°C, po czym materiał pozostawał zasadniczo stabilny w zakresie 300-750°C. Ta stabilność termiczna jest porównywalna z innymi nanocząstkami metalicznymi syntetyzowanymi metodami zielonymi, co sugeruje dobrą odporność termiczną, prawdopodobnie dzięki stabilizacji przez związki organiczne obecne w ekstraktach roślinnych.

Czy nanocząstki Li₂O skutecznie usuwają escitalopram oksalan z wody?

Optymalne warunki adsorpcji OxE określono za pomocą centralnego kompozytowego planu doświadczalnego (CCRD 2²). Przy stężeniu OxE wynoszącym 10 mg/L i stężeniu Li₂O-NPs równym 0,2 g/L, osiągnięto imponujący wynik 96,88% usunięcia leku. Analiza wykresu Pareto wykazała, że wszystkie zmienne były istotne dla procesu adsorpcji. Stężenie OxE i interakcja między stężeniem OxE a stężeniem Li₂O-NPs wykazywały negatywną i pośrednią zależność z odpowiedzią, podczas gdy stężenie Li₂O-NPs miało pozytywny i bezpośredni wpływ na usuwanie OxE.

Badania kinetyki adsorpcji wykazały, że proces najlepiej opisuje model pseudo-pierwszego rzędu (PFO), co potwierdza analiza parametrów statystycznych (R² = 0,9981, R²_adj = 0,9973) i najmniejsze błędy (SSE = 6,9576, ARE = 0,8697%). Teoretyczna pojemność adsorpcyjna i stała szybkości kinetycznej wynosiły odpowiednio q₁ = 130,7 mg/g i k₁ = 0,0061 min^-1. Wartości q_e wzrastały od 71,817 mg/g (przy 10 mg/L) do 130,71 mg/g (przy 50 mg/L), co wskazuje, że wraz ze wzrostem stężenia OxE dostępnych jest więcej cząsteczek do interakcji z miejscami aktywnymi adsorbentu.

Badania równowagi adsorpcji wykazały, że model Hilla najlepiej pasował do danych eksperymentalnych, co potwierdza wysoki współczynnik determinacji (R² = 0,9975 i R²_adj = 0,9949) oraz najmniejsze wartości dla SSE (0,3394) i ARE (0,0678%). Maksymalna pojemność adsorpcyjna Li₂O-NPs dla leku OxE wynosiła q_H = 38,96 mg/g, co jest porównywalne z maksymalną pojemnością adsorpcyjną innych zielonych nanoadsobentów metalicznych i nanokompozytów stosowanych do usuwania leków (około 40 mg/g).

Mechanizm adsorpcji OxE na Li₂O-NPs obejmuje głównie oddziaływania fizyczne, takie jak siły hydrofobowe i van der Waalsa z escitalopramem i grupą szczawianową, interakcje π-π między pierścieniami aromatycznymi cząsteczek escitalopramu oraz oddziaływania między OxE a kwasowymi centrami Lewisa przypisanymi do powierzchniowych atomów Li i O (np. Li⁺ i O₂^–). Dodatkowo, wypełnianie porów odgrywa kluczową rolę w mechanizmie adsorpcji leku.

Współczynnik kooperatywności (n_H = 0,5582) wskazuje na negatywne oddziaływanie lub brak współpracy między zaadsorbowanymi cząsteczkami, co oznacza, że zajęcie miejsca zmniejsza prawdopodobieństwo dalszej adsorpcji. Podkreśla to umiarkowane powinowactwo między adsorbatem a nanoadsorbentem i zmniejszone zachowanie kooperatywne podczas procesu adsorpcji.

Czy Li₂O-NPs mogą znaleźć zastosowanie w medycynie?

Co ciekawe, Li₂O-NPs wykazują nie tylko potencjał w oczyszczaniu ścieków, ale także mogą znaleźć zastosowanie w medycynie, szczególnie w leczeniu zaburzeń afektywnych dwubiegunowych. Związki litu są dobrze znane ze swoich właściwości stabilizujących nastrój, wpływając na funkcjonowanie neuroprzekaźników w mózgu.

Czy nanocząstki Li₂O mogą stanowić bezpieczną alternatywę dla konwencjonalnych leków stabilizujących nastrój? Badania in vitro na linii komórek neuronalnych SH-SY5Y dostarczyły obiecujących wyników. Testy MTT wykazały, że Li₂O-NPs mogą wpływać na żywotność i proliferację komórek w sposób zależny od dawki i czasu.

W teście MTT po 24 godzinach zaobserwowano wzrost żywotności przy stężeniach 50, 100 i 150 μg/ml w porównaniu z kontrolą negatywną. Po 48 godzinach nastąpił spadek proliferacji przy 50 i 150 μg/ml, a po 72 godzinach spadek proliferacji zaobserwowano praktycznie we wszystkich stężeniach z wyjątkiem 150 μg/ml. Te wyniki sugerują, że toksyczność nanomateriałów związana jest nie tylko z ich rozmiarem, ale także z innymi czynnikami, takimi jak morfologia, stężenie i czas ekspozycji.

Szczególnie interesujące jest to, że nanocząstki nie promowały znaczącego wytwarzania reaktywnych form tlenu (ROS) ani tlenku azotu (NO) w komórkach, co sugeruje niski poziom stresu oksydacyjnego i odpowiedzi zapalnej. W badaniu DCF po 24 godzinach zaobserwowano wzrost poziomu reaktywnych form tlenu tylko przy stężeniu 5 μg/ml w porównaniu z kontrolą negatywną; w pozostałych czasach wszystkie stężenia były równe kontroli negatywnej. W teście tlenku azotu jedynym stężeniem, które zwiększało poziomy, było 150 μg/ml po 48 godzinach, a pozostałe stężenia pozostawały na poziomach bazalnych.

Dodatkowo, badania uwolnienia zewnątrzkomórkowego dsDNA wykazały, że w niektórych stężeniach Li₂O-NPs mogą nawet działać korzystnie na komórki. W teście po 24 godzinach żadne stężenie nie zwiększyło poziomu uwalniania zewnątrzkomórkowego dsDNA. Po 48 godzinach zaobserwowano zmniejszenie dsDNA we wszystkich stężeniach z wyjątkiem 150 μg/ml, co oznacza, że nastąpiło mniejsze pęknięcie komórek niż w kontroli negatywnej. Po 72 godzinach wszystkie stężenia z wyjątkiem 25 μg/ml zmniejszyły poziomy dsDNA w środowisku zewnątrzkomórkowym.

“Nasze wyniki sugerują, że Li₂O-NPs mogą być względnie bezpieczne do zastosowań biologicznych, ponieważ nie promują znaczącego stresu zapalnego czy oksydacyjnego” – komentują badacze.

Czy Li₂O-NPs zmienią praktykę kliniczną i ochronę środowiska?

Jakie znaczenie mają te odkrycia dla praktyki klinicznej? Potencjalne zastosowanie Li₂O-NPs w terapii zaburzeń afektywnych mogłoby stanowić innowacyjne podejście, oferujące alternatywę dla tradycyjnych preparatów litu. Jednocześnie, wykorzystanie tych nanocząstek do oczyszczania ścieków z leków psychiatrycznych przyczyniłoby się do ochrony środowiska wodnego i zdrowia publicznego.

Porównanie z innymi adsorbentami stosowanymi do usuwania leków, takimi jak funkcjonalizowane nanorurki węglowe, warstwowe podwójne wodorotlenki (LDH), tlenki metali, magnetyczny biowęgiel czy kompozyty oparte na MOF, pokazuje, że Li₂O-NPs oferują konkurencyjną wydajność adsorpcji (96%), choć ich pojemność adsorpcyjna (38,96 mg/g) jest niższa niż niektórych specyficznych adsorbentów. Na przykład, LDH dla delafloksacyny wykazuje q_max = 957,82 mg/g, a zielone nanorurki węglowe dla losartanu osiągają 92,19 mg/g.

Jednak fizyczny mechanizm adsorpcji Li₂O-NPs może być korzystny dla procesów regeneracji i ponownego wykorzystania adsorbentu, czyniąc go potencjalnie bardziej zrównoważonym i ekonomicznie opłacalnym w niektórych zastosowaniach. W przeciwieństwie do niektórych innych systemów adsorpcyjnych, które opierają się na chemisorpcji, mechanizm fizyczny może ułatwiać desorpcję i regenerację materiału.

Badanie to podkreśla rosnącą rolę nanotechnologii w rozwiązywaniu problemów środowiskowych i medycznych. Dwojaki potencjał Li₂O-NPs – zarówno w oczyszczaniu ścieków, jak i jako potencjalny środek terapeutyczny – otwiera nowe możliwości dla zintegrowanych podejść do ochrony zdrowia i środowiska. Przyszłe badania mogłyby skupić się na optymalizacji właściwości tych nanocząstek oraz badaniu ich długoterminowego bezpieczeństwa i skuteczności w zastosowaniach klinicznych.

Czy zielona nanotechnologia stanie się kluczem do rozwiązania problemu zanieczyszczenia farmaceutykami? Wyniki tego badania dają podstawy do optymizmu, wskazując na obiecujący potencjał nanocząstek tlenku litu w tworzeniu bardziej zrównoważonych i efektywnych metod oczyszczania wody oraz nowych opcji terapeutycznych, przyczyniając się do osiągnięcia Celu Zrównoważonego Rozwoju 6 (czysta woda i warunki sanitarne).

Podsumowanie

Innowacyjne nanocząstki tlenku litu (Li₂O-NPs) zostały zsyntezowane przy użyciu ekstraktu z Mentha arvensis jako bioreduktora. Charakteryzują się one strukturą antyfluorytową z wielkością krystalitów około 5,85 nm oraz mezoporowatością z powierzchnią właściwą 3,7 m²/g. W badaniach wykazano wysoką skuteczność w usuwaniu escitalopramu oksalanu ze ścieków, osiągając 96,88% efektywność przy optymalnych warunkach. Mechanizm adsorpcji opiera się głównie na oddziaływaniach fizycznych, w tym siłach hydrofobowych i van der Waalsa. Testy na komórkach neuronalnych SH-SY5Y potwierdziły względne bezpieczeństwo biologiczne nanocząstek, które nie powodowały znaczącego stresu oksydacyjnego ani odpowiedzi zapalnej. Maksymalna pojemność adsorpcyjna wynosząca 38,96 mg/g, choć niższa od niektórych innych adsorbentów, w połączeniu z fizycznym mechanizmem adsorpcji może ułatwiać regenerację i ponowne wykorzystanie materiału. Badania wskazują na potencjalne zastosowanie Li₂O-NPs zarówno w oczyszczaniu wody, jak i w terapii zaburzeń afektywnych dwubiegunowych.