芦荟介导绿色合成银钛纳米颗粒的抗菌、抗生物膜及细胞毒性研究

《AMB Express》：Antibacterial, antibiofilm and cytotoxic properties of Aloe vera-synthesized silver titanium nanoparticles

本研究针对多重耐药菌(MDR)感染的严峻挑战，采用芦荟(Aloe vera)绿色合成法成功制备了银(Ag)、二氧化钛(TiO2)及其复合纳米颗粒(AgTiO2 NPs)。研究发现AgTiO2(2:1) NPs对MRSA、肺炎克雷伯菌和伤寒沙门菌表现出最强抗菌活性(MIC低至15.62μg/mL)和生物膜抑制率(79.5-96.6%)，且对胰腺癌细胞(Panc-1)具有选择性细胞毒性。该研究为开发新型纳米抗菌剂提供了重要理论依据。

　　

在抗生素耐药性日益严重的全球公共卫生危机背景下，多重耐药菌(MDR)导致的死亡率持续攀升。世界卫生组织(WHO)已将抗菌素耐药性列为全球公共卫生十大威胁之一，据统计2021年有471万人死于细菌耐药性相关感染，预计到2050年这一数字将升至1000万/年。其中，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、肺炎克雷伯菌和伤寒沙门菌等"超级细菌"的传播尤为令人担忧。传统抗生素的过度使用和误用导致耐药菌株不断涌现，迫切需要开发新型抗菌策略。

纳米技术为这一挑战提供了新的解决方案。纳米颗粒(NPs)因其独特的物理化学性质，在生物医学领域展现出巨大应用潜力。特别是银纳米颗粒(Ag NPs)和二氧化钛纳米颗粒(TiO₂ NPs)，已被证明具有广谱抗菌活性。然而，传统化学合成方法往往使用有毒试剂，存在生物相容性差、环境不友好等局限。因此，开发绿色、安全、高效的纳米颗粒合成方法成为研究热点。

在这种背景下，Abouelwafa等研究人员在《AMB Express》上发表了一项创新性研究，他们利用药用植物芦荟(Aloe vera)作为还原剂，成功合成了银、二氧化钛及其复合纳米颗粒，并系统评估了其对多重耐药菌的抗菌、抗生物膜活性和细胞毒性效应。芦荟作为一种具有多种药用价值的传统植物，其含有的生物活性成分不仅能促进纳米颗粒的合成，还可能增强其生物活性。

为开展本研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先使用不同浓度芦荟提取物通过绿色合成法制备TiO₂ NPs、Ag NPs及四种不同比例(1:0.5, 1:1, 1:1.5, 1:2)的AgTiO₂复合纳米颗粒；通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)等技术表征纳米颗粒的理化性质；针对来自Ain Shams大学菌种保藏中心(CCASU)的MDR临床分离株(MRSA CCASU-11、肺炎克雷伯菌CCASU-24、伤寒沙门菌CCASU-31)，采用琼脂扩散法、微量肉汤稀释法评估抗菌活性；通过结晶紫染色法分析抗生物膜效果；使用MTT法检测纳米颗粒对正常Vero细胞和癌细胞Panc-1的细胞毒性。

表征纳米颗粒

通过多种表征技术证实了纳米颗粒的成功合成。XRD分析显示Ag NPs具有立方晶系结构，TiO₂ NPs为锐钛矿型四方晶系，复合纳米颗粒同时包含两种组分的特征峰。FTIR光谱在436 cm^-1处观察到Ti-O-Ti晶格伸缩振动峰，证实了TiO₂的形成。SEM和TEM分析表明，所有纳米颗粒呈不规则球形和多边形，尺寸范围为20-70 nm。特别是对活性最佳的AgTiO₂(2:1) NPs进行的进一步表征显示，其平均尺寸约为35 nm，SAED图谱证实为多晶结构，EDS能谱证实元素组成符合预期比例。

评估合成NPs的抗菌活性

研究人员首先测试了四种不同芦荟提取物浓度制备的TiO₂ NPs对标准菌株的抗菌活性，发现TiO₂(100) NPs表现最佳，因此选择其进行后续复合纳米颗粒的制备。对MDR临床菌株的测试表明，所有纳米颗粒对革兰阳性菌MRSA的敏感性最高，其次为伤寒沙门菌，对肺炎克雷伯菌的活性相对较弱。AgTiO₂(2:1) NPs显示出最强的抗菌活性，对MRSA、肺炎克雷伯菌和伤寒沙门菌的抑菌圈直径分别为27 mm、15 mm和17 mm，活性甚至优于环丙沙星阳性对照。

评估最低抑菌浓度(MIC)和最低杀菌浓度(MBC)

微量肉汤稀释法结果显示，纳米颗粒对MDR菌株的MIC值为15.62-250μg/mL，MBC值为15.62-1000μg/mL。值得注意的是，AgTiO₂(1.5:1)和AgTiO₂(2:1) NPs对MRSA的MIC和MBC值均为15.62μg/mL，表现出最强的杀菌效果。AgTiO₂(2:1) NPs对肺炎克雷伯菌和伤寒沙门菌的MIC分别为62.5μg/mL和15.62μg/mL，且对所有测试菌株的MBC与MIC值相同，表明其具有浓度依赖的杀菌特性。

纳米颗粒的抗生物膜活性

使用不同浓度纳米颗粒(25%、50%、75% MBC)评估抗生物膜效果，结果显示所有纳米颗粒对MRSA的生物膜抑制效果最佳(79.5-96.6%)，其次为伤寒沙门菌和肺炎克雷伯菌。AgTiO₂(2:1) NPs表现出最强的抗生物膜活性，且活性随纳米颗粒浓度和银含量的增加而增强。

纳米颗粒的细胞毒性效应

MTT实验检测纳米颗粒对正常Vero细胞和癌细胞Panc-1的毒性。所有纳米颗粒均表现出细胞毒性，但对Panc-1癌细胞的选择性毒性高于正常Vero细胞。值得注意的是，纯Ag NPs对Vero细胞的毒性高于癌细胞，而纯TiO₂ NPs对两种细胞的毒性均高于Ag NPs。复合纳米颗粒的细胞毒性随银含量增加而增强，AgTiO₂(2:1) NPs对两种细胞系的毒性最高。

研究结论表明，通过芦荟绿色合成法成功制备的AgTiO₂复合纳米颗粒，特别是AgTiO₂(2:1) NPs，对多重耐药菌表现出优异的抗菌和抗生物膜活性，同时对癌细胞具有选择性毒性。这种协同增强效应可归因于银和二氧化钛纳米颗粒的联合作用机制：Ag⁺离子通过破坏细胞膜完整性、干扰酶活性和DNA复制发挥杀菌作用；TiO₂ NPs则通过产生活性氧(ROS)引起脂质过氧化和酶氧化，最终导致细胞凋亡。芦荟中的植物化学物质进一步增强了纳米颗粒的生物活性。

该研究的重要意义在于开发了一种绿色、经济、高效的纳米颗粒合成策略，为应对多重耐药菌感染提供了有前景的新型治疗候选物。特别是在医疗环境中生物膜相关感染的治疗方面，这些纳米颗粒展现出巨大应用潜力。然而，研究人员也指出需进一步研究纳米颗粒的作用机制，进行临床前和临床评估，并提高合成工艺的可扩展性和重复性，以推动其实际应用。

研究存在的局限性包括对纳米颗粒作用机制的探索不够深入，测试菌株范围有限，以及需要进一步评估纳米颗粒在生物模型中的安全性和长期有效性。未来研究应着重解决这些问题，以促进AgTiO₂纳米颗粒在生物医学领域的广泛应用。