In vitro Biological activities of Silver and Gold Nanoparticles from Anemarrhena asphodeloides and Angelica pubescens = 지모 및 중국 독활의 금나노, 은나노 입자를 이용한 인비트로에서의 생물학적 효능

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Anemarrhena asphodeloides Bunge and Angelica Pubescens Maxim are traditional oriental medicinal plants. Both plants are very famous to cure and prevent inflammatory disease from long time ago. Anemarrhena asphodeloides Bunge of efficacy is anti-diabetic, anti-depressant, anti-pyretic, anti-cancer properties. And Angelica pubescence Maxim has efficacy of analgesic, sedation, inhibit platelet aggregation, hypotension. Hereafter the Anemarrhena asphodeloides Bunge silver nanoparticles and gold nanoparticles are denoted as Aa-AgNps and Aa-AuNps respectively and also Angelica pubescens Maxim silver nanoparticles and gold nanoparticles are denoted as Ap-AgNPs and Ap-AuNPs respectively.
First, synthesized of Aa-AgNPs and Aa-AuNPs were found to be spherical, face-centered cubic nanocrystals with a Z-average hydrodynamic diameter of 190 and 258 nm, respectively. In vitro cytotoxicity of Aa-AgNPs displayed a significantly higher toxicity in comparison to Aa-AuNPs in all cell lines specially MCF7 cell line. While, Aa-AuNPs revealed that up to 50 μg.mL-1 concentration did not exhibit any toxicity on 3T3-L1, HT29 and MCF7 cell lines. Only A549 lung cancer cells responded to cytotoxicity. Since lung cancer cells were more sensitive to Aa-Ag and AuNPs treatments, further evaluation was done in order to determine their anticancer potential. Reactive oxygen species (ROS) generation was not affected by Aa-AuNPs, on the other hand, Aa-AgNPs treatment exhibited a higher potential to induce oxidative stress in A549 cells than HT29 and MCF7 cells. In addition, Aa-AgNPs and Aa-AuNPs reduced cell migration in A549 cells at 10 and 50µg·mL-1 respectively.
Second, analysis of Ap-AgNps and Ap-AuNps displayed. The formation of quasi-spherical Ap-AgNps and spherical icosahedral Ap-AuNps maintained an average crystallite size of 12.48 and 7.44 nm, respectively. Ap-AgNps / Ap-AuNps were further investigated for their cytotoxic properties in RAW264.7 macrophages for their potential application as drug carriers to sites of inflammation. In addition, the biosynthesized Ap-AgNps and Ap-AuNps exhibited antioxidant activity against 2,2-diphenyl-1-picrylhydrzyl (DPPH) radicals and the former exhibited antimicrobial activity against clinical pathogens including Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa and Salmonella enterica.
The green synthesis from both oriental medicinal plants may be favorable for the advancement of plant mediated Nano-particles in cancer therapy, drug delivery systems, and medical photo imaging etc. in nano- medical field.

국문 초록 (Abstract)

지모(Anemarrhena asphodeloides)와 중국독활(Angelica Pubescens)은 오래 전부터 동양 의학에서 유용하게 사용되어 온 약용식물이다. 근래 들어 건강하고 자연친화적이고 친환경적인 관심이 많아져 이와 관련된 활발한 연구들이 진행 중이다. 한 예로 약물전달, 암 절제술 또는 X-ray CT 이미징, 약물전달 등과 같이 나노 입자를 응용하는 의학적 분야에서도 독성이 적고, 생물학적인 방법의 치료를 요구한다. 이에 부응하여 약용식물을 나노 물질과 합성하여, 보다 생물학적이고 친환경적인 방법으로 독성과 부작용을 감소시키고 그 효능은 증대시켜 화학적 또는 물리적 방법으로만 응용되었던 의학분야의 나노 기술에 자연친화적인 방법으로 접근할 수 있도록 하여 나노의학의 발전에 도움이 되고자 이 연구가 진행되었다. 먼저, 나노테크놀러지라함은 나노미터를 응용하는 기술을 의미하는데 식물나노파티클의 크기는 보통 1~300 나노미터까지이지만 700나노미터도 존재한다
지모와 중국독활은 전통적인 한약재이다. 두 식물은 오래 전부터 염증을 치료하고 예방하는 약재로 잘 알려져 있다. 지모는 또한 항당뇨, 항우울, 해열, 항균, 항암 등의 효능이 있다. 그리고 중국 독활은 진통, 진정 및 혈소판 응집 억제, 저혈압의 효능도 가지고 있다. 지모 은나노 입자와 금나노 입자는 각각 Aa-AgNp와 Aa-AuNps로 표시되고 중국독활은 각각 Ap-AgNP와 Ap-AuNP로 표시된다. 먼저, Aa-AgNPs 과 Aa-AuNPs의 합성은 Z 평균 유체 역학 직경이 각각 190 및 258 nm 인 구형의 정육면체 나노 결정인 것으로 밝혀졌다. Aa-AgNPs의 시험 관내 세포 독성은 모든 세포 주, 특히 MCF7 세포 주에서 Aa-AuNPs와 비교하여 유의하게 높은 독성을 나타냈다. 반면, Aa-AuNPs는 50μg.mL-1 농도까지는 3T3-L1, HT29 및 MCF7 세포 주에서 독성을 나타내지 않은 반면A549 폐암 세포에서는 세포독성이 유발됨을 알 수 있었다. 폐암 세포가 Aa-AgNps와 Aa- AuNPs 처리에 더 민감했기 때문에 항암제로써의 잠재력이 있어 추가로ROS 평가가 이루어졌다
Reactive Oxygen Species (ROS) 생성은 Aa-AuNPs에 의해 영향을 받지 않았지만, Aa-AgNPs 처리한 것은 HT29 및 MCF7 세포보다 A549 세포에서 산화적 스트레스를 유도할 가능성이 더 높았다. 또한 Aa-Ag과 AuNPs는 각각 10μg.mL-1및 50μg.mL-1에서 A549 세포의 이동을 감소시켰다
둘째, 중국독활을 합성한 Ap-AgNps과 Ap-AuNps의 분석 결과, 결정체의 평균 크기는 각각 12.48 및 7.44nm였으며 Ap-AgNps는 타원형, Ap-AuNps는 구형이었다. Ap-AgNps과Ap-AuNps는 RAW264.7 대식세포의 세포 독성 결과, 염증에 대한 약물 전달체로써의 잠재적 효능이 기대되어 추가 실험이 수행되었다. 생합성된 Ap-AgNps와 Ap-AuNps는 2,2-diphenyl-1-picrylhydryl (DPPH) 라디칼에 대한 항산화 활성을 나타내었다. 항균 실험에 있어서 Ap-AgNPs는 대장균 (Escherichia coli), 포도상 구균 (Staphylococcus aureus), 녹농균 (Pseudomonas aeruginosa) 및 살모넬라 엔테리카 (Salmonella enterica)를 포함한 임상 병원균에 대한 항균 활성을 나타내었다, 특히, 지모와 중국독활은 뛰어난 효능이 많은 약용식물이다. 이처럼 자연친화적이고 생물학적인 물질을 화학적이고 물리적인 금, 은 나노와 합성하여 메탈이 가진 단점을 보완하고 치료의 효능은 증대시키는 매개체 역할은 매우 중요하다. 이와 같은 장점을 응용한 식물나노합성은 나노 의약기술에 있어 식물합성이테라그노시스(Theragnosis)로서의 긍정적 영향을 주어 신규바이오 나노 소재로 이용될 가능성이 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. GENERAL INTRODUCTION 1
• II. LITERATURE REVIEW 3
• 2.1. Overview of Nanoparticles 3
• 2.1.1 Classification of Nanoparticles 4
• 2.1.2 Metal Nanoparticles 7
• 2.2. Anemarrhena asphodelides Bunge 9
• 2.2.1 Medicinal effect of Anemarrhena asphodeloides 10
• 2.3. Angelica pubescence Maxim 11
• 2.3.1 Angelica pubescens of medicinal value 12
• III. Biosynthesis, Characterization, Anti-migratory and Anti-cancer activity of Silver and Gold Nanoparticles Mediated by Anemarrhena asphodeloides Bunge 14
• 3.1. Abstract 14
• 3.2. Introduction 16
• 3.3. Material and Methods 17
• 3.3.1. Materials 17
• 3.3.2. Preparation of crude aqueous extracts 17
• 3.3.3. Synthesis of Silver and Gold nanoparticles 17
• 3.3.4. Physicochemical Characterization of Aa-Ag/AuNPs 18
• 3.3.5. Evaluation of in vitro cytotoxicity on normal and cancer cell lines 19
• 3.3.6. Reactive oxygen species (ROS) generation 19
• 3.3.7. Anti-migration 20
• 3.3.8. Statistical analysis 20
• 3.4. Results and Discussion 20
• 3.4.1. Determination of optimal conditions for the synthesis of Aa-Ag/AuNPs 22
• 3.4.2. Synthesis and physicochemical characterization 22
• 3.4.3. In vitro cytotoxicity and anti-cancer activity of Aa-Au/AgNPs 31
• 3.4.4. Reactive oxygen species (ROS) analysis 34
• 3.4.5. Anti-migration Assay 36
• 3.5. Discussion 38
• 3.6. Conclusion 40
• IV. Biosynthesis, Characterization and Biological activities Evaluation of silver and gold nanoparticles from Angelica pebescens Maxim 41
• 4.1. Abstract 41
• 4.2. Introduction 44
• 4.3. Material and Methods 46
• 4.3.1. Materials 46
• 4.3.2. Angelica Pubescens Radix Extract Preparation 46
• 4.3.3. Green synthesis of Ap-AgNps and Ap-AuNps 47
• 4.3.4. Characterization of Ap-AgNPs and Ap-Au NPs 47
• 4.3.5. In vitro cytotoxicity Assay 49
• 4.3.6. Antioxidant Activity of Ap-AgNPs and Ap-AuNPs 49
• 4.3.7. Antimicrobial activity of Angelica pubescens AuNPs and AgNPs 50
• 4.3.8. Statistical analysis 50
• 4.4. Results and Discussion 51
• 4.4.1. Green synthesis of Ap-AgNps and Ap-AuNps 51
• 4.4.2. Characterization of Ap-AgNps and Ap-AuNps 56
• 4.4.3. MTT assay result 63
• 4.4.4. Antimicrobial Activity of Ap-AgNps and Ap-AuNps 66
• 4.4.5. Antioxidant Activity of Ap-AgNps and Ap-AuNps 69
• 4.5. Conclusion 72
• V. GENERAL CONCLUSION 73
• VI. REFERENCES 75
• 국문초록 85