综述：金属基纳米材料的抗菌机制

《International Journal of Nanomedicine》：Antimicrobial Mechanisms of Metal-Based Nanomaterials

本综述系统阐述了金属基纳米材料（如Au、Ag、Cu、ZnO NPs）通过物理损伤（如细胞膜破坏、光热效应PTT）、化学活性（如诱导氧化应激ROS、释放金属离子Ag+/Cu2+）及生物功能干扰（如抑制代谢途径、ATP合成）等多重机制发挥广谱抗菌作用，并探讨了其与抗生素协同、免疫调节等新型纳米系统策略，为应对耐药菌挑战提供了新视角。

　　

Abstract

随着纳米技术和纳米医学的进步，基于纳米材料的各种抗菌剂被广泛开发并应用于抗感染治疗。金属基纳米材料因其独特的物理化学性质和出色的生物相容性，被广泛用于生物分析、药物递送系统、疾病诊断和治疗。与传统抗菌剂相比，金属基纳米材料表现出优越的稳定性、广谱抗菌活性、强大的抗菌效果以及较低的抗生素耐药性风险，使其成为对抗感染和耐药菌的有力候选者。本文阐述了金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、氧化锌（ZnO）等金属基纳米材料的抗菌机制，主要关注物理损伤、化学活性和生物功能干扰。此外，还讨论了协同抗菌策略，为推进金属基纳米材料抗菌应用的研究提供有力支持。

Introduction

抗生素和化学药物仍然是临床实践中最广泛使用的抗菌剂。半个多世纪以来，抗生素疗法一直是对抗病原菌感染最有效的方法。然而，广谱抗生素的过度使用加速了耐药菌的进化和传播，导致多重耐药（MDR）细菌的出现，例如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌（CRAB）和耐碳青霉烯类肠杆菌（CRE）。CHINET监测数据显示，肺炎克雷伯菌对亚胺培南和美罗培南的耐药率从2005年的3.0%和2.9%分别上升到2018年的25.0%和26.3%。不动杆菌对亚胺培南和美罗培南的耐药率分别高达67.5%和68.1%。这些MDR细菌对临床抗感染治疗构成重大挑战，并严重威胁公众健康。

世界卫生组织（WHO）估计，2019年有495万死亡与抗菌素耐药性（AMR）相关。其中，127万死亡直接归因于耐药细菌，主要由大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和金黄色葡萄球菌引起。在中国，超过60万死亡与AMR相关，其中CRAB、MRSA和CRE导致的死亡人数位居前三。2014年，Jim O’Neill受英国政府委托发表了一份关于AMR的综述报告。该报告预测，如果AMR持续上升，到2050年每年死亡人数可能达到1000万。AMR已成为全球公共卫生的主要威胁之一。WHO警告称，目前的抗生素储备不足以应对未来的挑战。因此，开发新的抗菌剂和策略已成为当务之急。

纳米材料和技术的发展如今已经彻底改变了抗菌药物的研发。纳米材料是结构尺寸介于原子、分子和宏观物质之间的材料。这些材料至少有一个维度存在于纳米尺度范围（1–100 nm）或由纳米尺度构建块组成。与传统材料相比，纳米材料表现出独特的特性。它们具有更小的尺寸、更大的比表面积、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。这些特性增强了分子间相互作用。金属基纳米材料作为新兴的抗菌剂，展现出若干优势。它们表现出优异的抗菌稳定性、卓越的催化活性、可控的药物释放以及较低的抗生素耐药性风险，在抗菌治疗中具有巨大潜力和广阔的应用前景。本文全面综述了金属基纳米材料的抗菌机制，包括物理损伤、化学活性和生物功能干扰。并进一步讨论了新型纳米系统及其协同抗菌策略。

Antimicrobial Mechanisms

近年来，随着纳米技术的进步，金属基纳米材料在抗菌治疗领域经历了快速发展。常见的金属基纳米材料包括单金属纳米颗粒（AuNPs, AgNPs, CuNPs）、金属氧化物（ZnO, CuO）纳米材料、金属-有机框架（MOFs）和金属负载纳米材料。纳米材料本身具有抗菌特性。特别是，金属基纳米材料可以通过破坏细菌细胞成分并触发其释放来发挥抗菌作用，机制包括物理损伤、化学活性和生物功能干扰。

Mechanism of Physical Damage

Cell Membrane Damage

金属基纳米材料凭借其独特的尺寸和几何结构，可以通过锋利的边缘直接破坏细菌细胞膜，导致细胞内容物泄漏并最终使细胞失活。此外，细菌表面带有大量负电荷，这有利于带正电的金属基纳米材料与其发生静电相互作用，从而破坏细胞膜以发挥抗菌作用。Vukomanovic等人合成了氨基酸功能化的AuNPs，这些纳米颗粒可以在铜绿假单胞菌表面聚集并与细菌细胞壁外侧紧密接触，从而促进细胞膜解体并导致细菌死亡。Haghniaz等人通过改进的共沉淀法合成了ZnFe₂O₄ NPs，并通过膜通透性和蛋白质泄漏实验研究了其抗菌活性。结果表明，用ZnFe₂O₄ NPs（100 μg/mL）处理过的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均显示出细菌细胞膜的显著破坏，蛋白质泄漏水平分别达到0.6 μg/mL和0.7 μg/mL，是未处理组的3.0倍和2.5倍。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像显示，大多数ZnFe₂O₄ NPs呈球形，表面光滑，易于与细菌细胞壁接触。这促进了膜渗透，导致蛋白质泄漏和随后的细胞死亡。

此外，研究发现NPs的浓度及其暴露时间与细胞损伤的严重程度相关。Xiang等人开发了牛血清白蛋白（BSA）包覆的银金双金属合金（AgAu@BSA）NPs，通过优化银金材料比例实现了对粒径和分散性的精确控制。体外抗菌实验表明，AgAu@BSA NPs对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度分别为128 μg/mL和256 μg/mL。随着NPs浓度和暴露时间的增加，核酸和蛋白质泄漏也增加，细胞破坏进一步加剧。

Photothermal Effect

光热疗法（PTT）是一种利用光热剂将光能转化为热能的医疗技术。在近红外（NIR）光作用下，光热剂产生局部高温，使细菌细胞内的磷脂和酶失活，并使蛋白质变性，造成不可逆的细胞损伤甚至死亡。金属NPs，尤其是金、银、铜，由于其局域表面等离子体共振效应，具有很强的NIR吸收能力。这使其能够有效地将光能转化为热能，达到消除细菌的目的。

Wu等人开发了一种二氧化硅包覆的金银纳米笼（Au-Ag@SiO₂ NCs），它整合了AuNPs的光热特性和Ag⁺的持续释放能力，能够在NIR光照射下实现抗菌效果。研究发现，当Au-Ag@SiO₂ NCs的质量浓度为50 mg/mL时，NIR光照射10分钟，光热温度从20.7°C升至57.4°C。体外和体内实验证实，Au-Ag@SiO₂ NCs在NIR光照射下能有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长。此外，在金银纳米笼表面应用SiO₂涂层不仅延长了药物作用时间，还增强了生物相容性。He等人研究了一种无载体的抗菌聚合物聚六亚甲基双胍（PHMB）杂化AuNPs平台PHMB@Au NPs。该平台在NIR光照射下对金黄色葡萄球菌表现出优异的协同增强光热杀菌效果。此外，PHMB@Au NPs有效抑制生物膜的形成，并通过PTT快速消除细菌，这不仅促进了伤口愈合，甚至在加速组织血管生成的同时介导巨噬细胞从M1型向M2型转变。因此，PTT被认为是一种有效的抗菌策略。

Mechanism of Chemical Activity

Oxidative Stress

氧化应激是指由有氧代谢产生的活性氧（ROS）增加或ROS自我清除能力下降引起的病理生化反应，对细胞产生毒性作用，导致细胞DNA、蛋白质和脂质损伤。研究表明，当细胞内的氧被还原成超氧阴离子、过氧化氢和羟基自由基时就会产生ROS。金属NPs可以通过产生ROS诱导氧化应激，导致细胞壁、细胞膜和内部细胞结构的破坏，并影响基因表达调控和蛋白质翻译功能。正常情况下，ROS的产生和细胞的抗氧化能力保持平衡。然而，NPs可以打破这种平衡，加速细胞内的氧化应激，导致病原菌内ROS过度积累，最终导致细胞死亡。

细胞内ROS水平升高主要归因于NPs的细胞摄取和细胞内金属离子的释放。Wunnoo等人使用桉树叶水提取物成功合成了生物AgNPs。研究表明，生物AgNPs对念珠菌生物膜具有很强的抑制作用，并能穿透细胞外基质破坏酵母细胞形态，最终导致细胞死亡。对生物膜的分子生物学研究证实，编码菌丝生长和生物膜发育的基因以及那些参与水解酶的基因表达下调。Zhang等人通过将微孔有机聚合物（MOPs）与Ag₂O NPs整合，合成了一种复合银纳米材料（Ag₂O@UMOPs）。这种复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出强大的抗菌活性，这归因于Ag⁺的持续释放和ROS生成增强的协同效应。Xi等人设计了两种具有不同抗菌机制的铜/碳纳米酶。对于CuO修饰的铜/碳纳米酶，释放的Cu²⁺会引起革兰氏阴性菌的膜损伤、脂质过氧化和DNA降解；而对于Cu修饰的铜/碳纳米酶，通过过氧化物酶样催化反应产生ROS是对抗革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的决定性因素。Sharma等人也证明，细胞质成分泄漏、膜通透性丧失和ROS生成是CuNPs诱导细菌细胞死亡的主要原因。这表明ROS诱导的氧化应激在金属NPs破坏细胞成分和影响基因表达的过程中起着至关重要的作用。

Metal Ion Release

溶解和释放是金属NPs发挥抗菌活性的一个关键机制。在生理环境中，金属NPs逐渐发生氧化和溶解，释放出具有生物活性的金属离子，如Ag⁺和Cu²⁺。这些离子与细菌蛋白质中的巯基结合，形成不稳定的复合物，导致蛋白质变性和功能失活，从而破坏细胞代谢过程，导致细菌细胞死亡。此外，Ag⁺可以与DNA中的磷酸基团结合，干扰DNA复制和转录，从而阻碍细菌的生长和繁殖。另外，Ag⁺与膜蛋白的相互作用改变了细胞膜的通透性，促进了Ag⁺在细胞内的积累。细胞内Ag⁺浓度的升高可以与呼吸链中的蛋白质相互作用，破坏电子传递并解偶联氧化磷酸化，从而抑制细菌细胞内的三磷酸腺苷（ATP）合成。Gomma研究了AgNPs对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的蛋白质和还原糖泄漏以及呼吸链脱氢酶活性的影响。结果表明，50 mg/mL的AgNPs可以完全抑制细菌细胞生长，破坏细菌膜通透性，并抑制某些膜酶的活性，最终导致细菌死亡。这表明从纳米材料释放的金属离子可以通过与包括蛋白质、酶和遗传物质在内的细胞成分相互作用而使细胞失活。

Mechanism of Biological Function Interference

Metabolic Pathway Inhibition

金属NPs通过接触细菌并穿透其细胞结构来发挥抗菌作用。这些NPs选择性地靶向细菌内的关键代谢酶和电子传递链，从而抑制肽聚糖和蛋白质合成所必需的酶的活性，最终阻碍其能量产生。

Cui等人发现，AuNPs在接触细菌后可以破坏细胞膜电位，抑制ATP合酶的活性，从而阻碍作为主要能量载体的ATP的合成。同时，AuNPs还可以抑制核糖体亚基与转移核糖核酸（tRNA）的结合，进一步促进细菌凋亡。这两种途径的协同作用使AuNPs能够发挥抗菌作用。Zhang等人报道了用光敏剂修饰的Ni-ZnO@C纳米复合材料在高效的光催化作用下产生ROS。这种复合材料破坏了细菌细胞膜，并通过光诱导电子转移抑制ATP合成，有效消除了金黄色葡萄球菌生物膜。此外，Ni-ZnO@C复合材料表现出优异的生物相容性，进一步促进了皮层伤口的愈合。Dai等人证明，用高分子量聚合物包覆的银纳米复合材料（64 μg/mL）可以根除80%已形成的耐药细菌生物膜，并有效抑制细胞内酶活性，最终导致细菌死亡。因此，抑制ATP合成和蛋白质活性是金属NPs相关的另一个关键抗菌机制。

Novel Nanosystems and Antimicrobial Strategies

Stimulus-Responsive Nanomaterials

刺激响应材料是一类能对外源性和内源性刺激作出反应的“智能”材料。它们对环境或病理信号具有特殊的敏感性，能够通过多种途径将外部刺激转化为动态的结构或形态变化，从而实现可调节的物理或化学性质。刺激响应金属基纳米材料是刺激响应材料的一个前沿分支，涉及外源性刺激，如光、超声波和磁场，而内源性刺激包括pH、氧化还原和酶活性。研究人员相继开发了光激活抗菌策略、磁激活抗菌策略和超声激活抗菌策略，进一步优化了抗菌系统的效率和可控性。Fang等人设计了一种源自MOFs的光热响应聚合物（TRB-ZnO@G），并基于该聚合物构建了一种新型NIR触发抗菌平台。该平台具有灵活的双维纳米结构、高光热活性、持续的Zn²⁺释放能力以及可切换的相尺寸转换能力。它在体内实现了99.5%的生物膜根除率，远优于单独使用PTT或ZnONPs。更重要的是，这种NIR触发的协同抗菌策略展示了优异的生物安全性，能有效控制炎症反应而不损伤健康组织。

此外，响应细菌微环境变化的抗菌策略也引起了广泛关注。在最近的一项研究中，Mei等人开发了一种将响应生物膜感染微环境的铜掺杂多金属氧酸盐簇（Cu-POM）与温和PTT相结合的系统，用于治疗生物膜相关感染。该系统通过代谢干扰促进细菌发生类铜死亡，同时破坏细菌生物膜并消除浮游细菌，实现了生物膜相关感染的全程清除。

Synergistic Antimicrobial Strategies

Nanomaterials and Antibiotics Synergy

金属NPs与抗生素联用可以产生协同抗菌效应。NPs作为天然抗菌剂的载体，不仅可以安全有效地将这些药物递送到感染部位，还能主动参与细菌清除。它们通过减少药物降解、促进药物在感染部位的积累以及降低全身毒性来增强药物的抗菌功效。基于纳米材料的智能药物递送系统不仅可以通过优化的药代动力学实现可控的药物释放，还能确保药物在靶位点的时空释放，从而实现抗菌治疗。

Song等人通过引入光化学试剂设计了一种锌MOF（ZIF-8），并将其用作可控药物释放的阀门。以利福平作为药物分子，他们通过紫外线刺激实现了抗生素和Zn²⁺的精确释放，展示了协同抗菌效果，同时实现了药物载体的可控降解。Nadia Ghaffar等人开发了一种使用蓖麻叶提取物合成AgNPs、ZnONPs和CuONPs的方法。当链霉素与这些NPs结合时，对金黄色葡萄球菌的抗菌活性显著增强，表明NPs与抗生素之间存在协同相互作用。值得注意的是，金黄色葡萄球菌对链霉素耐药；然而，当链霉素与NPs结合时，金黄色葡萄球菌表现出高度敏感性。这一发现为对抗耐药细菌感染开辟了新思路。

Immune Regulation and Synergistic Antibacterial Effects

金属NPs主要通过抑制炎症反应因子的释放来发挥抗炎特性。研究表明，AgNPs、AuNPs和Ag-Au合金NPs能够降低巨噬细胞（IL-1β, IL-6, TNF-α）和NK细胞（IFN-γ）中的促炎细胞因子水平以发挥抗炎作用。此外，AgNPs可以通过抑制炎症细胞浸润、下调TNF-α、IL-8和乳酸脱氢酶（LDH）以及抑制NF-κB和p38信号通路来实现抗炎作用。金属NPs与其他功能性纳米材料的组合也显示出协同抗菌特性。Zuo等人通过物理溶胀法开发了一种卤夫酮-银纳米温敏水凝胶（HTPM&AgNPs-gel），它能有效促进皮肤成纤维细胞愈合并抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的增殖。与AgNPs或水凝胶等单一材料相比，这种复合材料显示出更显著的抗菌效果和促进伤口修复的能力，同时能在伤口愈合过程中抑制炎症反应。

Discussion

金属基纳米材料是21世纪对抗耐药细菌感染的有前景的治疗剂。通过物理损伤、氧化应激、离子释放和代谢干扰等协同机制，这些材料表现出广谱高效的抗菌特性，为应对AMR提供了多种策略。此外，金属NPs可以通过与常规抗生素结合并调节免疫反应来增强抗菌效果，从而实现克服耐药菌的协同方法。

然而，金属基纳米材料仍存在其局限性。首先，这些材料的合成和表征技术尚未完全成熟。它们存在生产成本高、标准化程度低和稳定性差等问题，这严重阻碍了其广泛应用。其次，金属基纳米材料的生物安全性对于生物医学应用至关重要。NPs的长期毒性尚不清楚。它们可能引发免疫反应、引起细胞毒性甚至影响基因表达，从而对人类健康构成潜在风险。因此，需要进一步研究金属基纳米材料的生物相容性和潜在毒性，以确保其在体内的长期稳定性和安全性。最后，对这些纳米材料的生物安全评估方法仍然不足，缺乏系统和标准化的评估标准和方案，这极大地限制了其向临床应用的转化。

为了应对这些挑战，在设计和开发新型纳米复合材料时仍需关注几个关键问题：（1）优化金属基纳米材料的制备方法，提高其合成效率和稳定性，同时降低生产成本；（2）深入研究金属基纳米材料的生物安全性，包括其生物相容性、毒性和可降解性，以促进可持续和环境友好型纳米材料的发展；（3）建立完善的纳米材料安全评估体系，实施标准化评估和监管，确保其实际应用的安全性。

Conclusion

金属基纳米材料的抗菌应用正在迅速发展。这些材料展现出独特的抗菌机制，表现出卓越的抗菌性能，包括广谱活性、持久功效和低诱导抗生素耐药性的倾向。因此，它们在应对微生物耐药性方面具有巨大潜力和广阔前景。然而，纳米生物材料的临床转化需要对关键的生物安全参数进行全面系统的评估，包括细胞毒性、生物相容性和生物可降解性。当前的研究工作集中于开发多功能纳米复合材料、探索纳米材料与常规抗生素之间的协同相互作用以及提升抗菌性能。此外，设计具有可控药物释放能力的刺激响应智能纳米材料有望促进纳米材料的临床转化和应用。