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本文聚焦生物合成铜纳米颗粒（Cu-NPs）及氧化铜纳米颗粒（CuO-NPs）对抗耐多药金黄色葡萄球菌（MRSA）的研究。综述了其绿色合成方法、抗菌机制、与传统抗生素协同作用等，指出其潜力巨大，但仍需关注安全性和耐药性问题，为抗菌治疗提供新思路。
1. 引言
金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是一种革兰氏阳性球菌，通常作为正常微生物群的一部分而不被注意，但它偶尔会通过持续感染对人类健康构成重大风险，可引发多种疾病。耐多药金黄色葡萄球菌（MRSA）更是治疗难题，自 20 世纪 40 年代以来，几乎每种新开发的抗生素对其都逐渐失效。
纳米技术在对抗耐多药细菌感染方面展现出潜力，纳米抗生素有望改变抗生素耐药菌的治疗现状。铜纳米颗粒（Cu-NPs）和氧化铜纳米颗粒（CuO-NPs）因具有多种优势，如多靶点作用机制、增强对细菌生物膜的穿透能力、与传统抗生素可能的协同效应以及对人类细胞相对较低的毒性等，成为研究热点。本文旨在系统评估生物合成的铜纳米颗粒对临床分离的耐多药金黄色葡萄球菌的疗效，为开发新型治疗策略提供参考。
2. 铜和氧化铜纳米颗粒的合成机制
在铜和氧化铜纳米颗粒的合成过程中，铜离子存在（I）Cu、（II）Cu 和少量（III）Cu 离子等多种氧化态。利用细菌、放线菌、真菌、藻类和植物提取物合成时，CuO、Cu2O 和 Cu4O3会以一定速率形成，且合成过程受反应条件影响。提取物中的生物分子可促进 Cu2+离子还原为 Cu0状态，进而形成氧化铜纳米颗粒，同时部分生物分子还起到稳定纳米颗粒的作用。
3. 铜和氧化铜纳米颗粒的合成方法
绿色合成是利用环境友好或可持续来源的材料，使用有效还原剂、溶剂和无毒添加剂来生产材料的方法。铜纳米颗粒的生物合成被视为 “绿色方法”，相比传统方法具有诸多优势，如利用可再生生物资源、能源效率高、产生有害废物少等。生命周期评估（LCA）也证实了其环境效益。
纳米颗粒合成方法主要有自上而下和自下而上两种。自下而上的生物合成方法，如使用植物提取物或微生物制剂，能产生尺寸分布更均匀、表面反应性更高的铜纳米颗粒，抗菌效果更好。常见的绿色合成途径包括植物提取法、微生物法和生物模板法。不同绿色合成方法在可扩展性和可重复性方面存在差异，植物提取法重复性高，微生物合成法产量高，生物模板法虽能精确控制形态，但大规模应用存在挑战。此外，细胞外合成因过程简单、产量高且纳米颗粒稳定性好而更受欢迎。
4. 铜 / 氧化铜纳米颗粒的生物合成
绿色合成涉及利用植物、藻类、细菌、真菌和放线菌等生物合成纳米颗粒。
- 利用植物提取物合成：植物提取物合成纳米颗粒具有反应快、单分散性好等优点，且植物资源丰富、成本低。多种植物材料，如水果、叶子、茎和根等，都可用于合成。植物提取物中的生物活性化合物，如蛋白质、萜类化合物、生物碱、单宁、黄酮类化合物和酚类等，可作为还原剂和稳定剂，将金属离子转化为纳米颗粒。
- 藻类合成：藻类在铜 / 氧化铜纳米颗粒的生物合成中也具有重要作用。多种藻类，如棕色藻类Cystoseira trinodis、Bifurcaria bifurcata等，可合成不同尺寸的纳米颗粒。藻类中的有机化合物可参与还原和稳定过程。
- 细菌合成：细菌可通过细胞外和细胞内方法合成纳米颗粒，具有生产速度快、培养方法简单、实验环境安全等优势。细菌能将有毒金属离子转化为毒性较低的形式，且在合成过程中产生的含硫化合物可作为封端剂，防止金属氧化物纳米颗粒氧化。
- 真菌合成：真菌在纳米颗粒生物合成方面潜力较大，相比细菌，它对搅拌、剪切应力等条件的耐受性更强。真菌细胞壁主要由多糖和脂质组成，可能使其对铜纳米颗粒的敏感性低于细菌。多种真菌，如Trichoderma 属、Penicillium aurantiogriseum等，可通过细胞外途径合成纳米颗粒，其合成的纳米颗粒具有尺寸小、分散性好等特点。
5. 影响铜 / 氧化铜纳米颗粒生物合成的因素
铜 / 氧化铜纳米颗粒的生物合成受多种化学和物理参数影响。
- pH：pH 不仅影响金属前体的还原速率，还影响纳米颗粒的稳定性和表面电荷，进而影响其与生物膜的相互作用、细胞摄取机制和细胞毒性。
- 温度：温度对纳米颗粒的形成和特性有显著影响，可影响颗粒的成核和生长动力学，导致不同的尺寸分布和形态，进而影响其抗菌活性。
- 前体浓度：前体浓度与纳米颗粒的大小、形态和生物活性密切相关。较低的前体浓度通常产生较小的纳米颗粒，而较高浓度则可能导致颗粒增大和团聚。
- 还原剂及其浓度：还原剂及其浓度在金属纳米颗粒合成中至关重要，影响反应速率、颗粒大小和稳定性。生物提取物中的次生代谢物，如黄酮类化合物，可作为还原剂和稳定剂，增强纳米颗粒的稳定性和抗菌活性。
- 合成时间：合成时间对纳米颗粒特性影响显著，反应时间过长可能导致颗粒聚集和尺寸分布变宽，时间过短则可能影响结晶度。
6. 铜纳米颗粒的表征方法
铜纳米颗粒的表征需要多种技术，包括 UV-vis 光谱、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、透射电子显微镜（TEM）、选区电子衍射（SAED）、X 射线衍射（XRD）、动态光散射（DLS）、能量色散 X 射线光谱（EDX/EDS）、X 射线光电子能谱（XPS）、热重分析（TGA）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析、纳米颗粒跟踪分析（NTA）和粒度分析（PSA）等。这些技术可用于评估纳米颗粒的形状、大小、结晶度、zeta 电位、颗粒尺寸、表面积、孔隙率、溶解度、聚集、吸附容量和分形维数等特性。
7. 铜 / 氧化铜纳米颗粒的抗菌活性
铜一直被认为是一种高效的抗菌剂，铜和氧化铜纳米颗粒对多种细菌具有抗菌活性，包括S. aureus、S. epidermidis、Enterococcus sp.、Bacillus sp.、Pseudomonas sp.、E. coli、K. pneumoniae、S. typhimurium和S. sonnei等。其对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌（MSSA）均有抗菌作用，最小抑菌浓度（MIC）和最小杀菌浓度（MBC）因颗粒大小、封端剂的存在以及细菌菌株等因素而异。
8. 铜 / 氧化铜纳米颗粒与其他纳米颗粒抗菌活性的比较
铜 / 氧化铜纳米颗粒与其他纳米金属在抗菌活性方面存在差异。与绿色合成的硒纳米颗粒相比，铜纳米颗粒主要通过膜破坏和氧化应激发挥作用，且在较低浓度下对S. aureus菌株的抗菌效果更好。与银纳米颗粒相比，氧化铜纳米颗粒对不同细菌菌株的抗菌效果存在差异，且两者联合使用具有协同效应。与氧化锌纳米颗粒相比，氧化铜纳米颗粒对 MRSA 菌株的杀菌效果通常在较低浓度下即可实现，但氧化锌纳米颗粒在某些情况下也表现出较高的抗菌活性。
9. 铜 / 氧化铜纳米颗粒的作用机制
铜和氧化铜纳米颗粒通过化学、物理和光介导的破坏作用发挥抗菌特性。它们可通过范德华力、受体 - 配体相互作用和疏水相互作用穿透细菌膜，破坏细菌的结构完整性，阻碍质子动力，降低能量存储和生产能力，减少细菌酶活性，增加膜通透性，促进纳米颗粒积累和细胞摄取。进入细胞后，纳米颗粒会干扰 DNA、核糖体、溶酶体和酶蛋白，与生物膜通过静电作用相互作用并整合到基质中。此外，纳米颗粒还可抑制细胞膜酶，产生活性氧（ROS），氧化蛋白质和脂质，破坏质子外排机制，释放有毒金属离子，影响病原体膜的通透性和呼吸系统。
10. 铜 / 氧化铜纳米颗粒与现有抗生素的协同效应
铜和氧化铜纳米颗粒与现有抗生素联合使用时，可增强抗菌效果，有助于克服耐药感染。与头孢西丁联合使用时，氧化铜纳米颗粒的最小抑菌浓度（MIC）显著降低，时间杀菌试验证实了其协同作用。与蒽醌 - 2 - 羧酸（AQ）联合使用，可防止生物膜形成，诱导细菌细胞结构变化，导致细胞死亡。与 β- 内酰胺类抗生素联合使用，可显著降低抗生素的 MIC，抑制生物膜形成，增强对耐药菌株的抗菌效力。
11. 细菌对纳米材料的耐药性
细菌对纳米材料产生耐药性是抗菌纳米技术面临的重大挑战。细菌可通过多种机制对纳米材料产生耐药性，包括改变细胞膜组成和结构，降低膜流动性，减少纳米颗粒的穿透或破坏；形成膜泡（MVs），减轻纳米颗粒的压力；调节膜孔蛋白、细胞骨架蛋白和应激调节因子，产生可逆的适应性耐药；激活外排泵，排出有毒化合物；增加生物膜形成，捕获和中和纳米颗粒，限制其穿透。
12. 铜 / 氧化铜纳米颗粒的毒性和生物相容性
铜和氧化铜纳米颗粒在生物和工业领域应用广泛，但其毒性和生物相容性备受关注。研究表明，氧化铜纳米颗粒对人类肺上皮细胞系 A549 具有较高的细胞毒性，可诱导 DNA 损伤和氧化应激，不同纳米颗粒的毒性存在差异。铜 / 氧化铜纳米颗粒的毒性机制包括氧化应激形成，损害线粒体功能并引发凋亡过程；与细胞膜相互作用，导致膜破坏、改变细胞信号通路和引入离子毒性。此外，颗粒大小、表面形态、表面电荷和化学组成等物理化学特性会影响其毒性。
13. 缓解策略
为降低铜纳米颗粒的毒性，可采用多种策略。
- 表面工程：通过聚合物涂层等表面工程技术，如使用聚乙二醇（PEG），可改善铜纳米颗粒的表面性质，降低细胞毒性，改善药代动力学和生物分布。
- 控制合成：通过精确调整温度、前体浓度和反应时间等合成参数，可制备具有所需特性的铜纳米颗粒，在保持抗菌性能的同时降低对人体细胞的不良影响。
- 靶向功能化：将特定配体或生物分子连接到铜纳米颗粒表面，可实现靶向递送，减少非特异性相互作用，降低氧化应激潜力，提高生物相容性和治疗效果。
13.1. 未来展望
生物合成的铜纳米颗粒和氧化铜纳米颗粒对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等耐药菌具有显著的抗菌性能，已获得 FDA 批准用于治疗耐药感染和作为食品添加剂。它们还可用于靶向药物递送，与双金属纳米颗粒联合使用，有望开发新型抗菌剂。此外，基于铜纳米颗粒的生物传感器在害虫管理和病原体检测方面具有潜在应用，未来有望在医疗和食品行业发挥重要作用。
14. 结论
生物合成的铜和氧化铜纳米颗粒是对抗耐多药金黄色葡萄球菌的有前景的治疗方法。绿色合成方法比传统方法具有显著优势，植物基合成系统效率高且能控制形态，影响抗菌效果。这些纳米颗粒通过多种机制对抗 MRSA，与现有抗菌剂的协同作用增强了其临床价值。未来研究方向包括开发靶向递送系统、设计破坏生物膜的配方、创建多模态诊疗应用、优化与传统抗生素的协同组合以及建立可持续的大规模生产方法。然而，目前仍存在研究空白，如长期安全性、细菌耐药机制以及纳米颗粒与生物系统的复杂相互作用等问题，需要进一步研究解决。
