金属纳米颗粒抗菌性能的决定因素与作用机制：一篇综述

《Bioscience Nanotechnology》：Performance determinates and mechanism of metallic nanoparticles as antimicrobial agents: a review

　　

抗菌耐药性（AMR）是最严重的全球公共卫生问题之一，并导致细菌感染治疗结局不佳。金属及金属氧化物纳米颗粒等实验平台已被视为潜在的抗菌剂，因为它们能够损伤细菌膜、释放金属离子、诱导氧化应激、破坏蛋白质和核酸，并干扰生物膜形成。本文为一篇叙述性综述，选取了具有代表性的研究以阐明机制多样性和性能决定因素，而非通过系统性检索方案进行。本综述总结了常用的纳米颗粒合成路线，如化学还原法、绿色合成法、微波辅助合成法、水热法、溶胶-凝胶法和生物合成法，并讨论了抗菌性能的物理化学决定因素。本综述纳入的代表性研究表明，纳米颗粒的抗菌活性随尺寸和制剂的不同而发生显著变化。然而，由于细菌菌株、测定形式、接种量、培养基组成、暴露时间和颗粒表征等方面的差异，研究之间的比较仍然受限。现有文献支持部分金属纳米材料具有体外抗菌和抗生物膜活性。抗菌效力和生物相容性是评估金属及金属氧化物纳米颗粒抗菌应用潜力的重要考量因素。主要影响这些品质并决定其整体有效性的关键参数包括形状、尺寸、表面积与体积比、表面修饰以及生物膜形成抑制。然而，本综述所总结的发现不应被解释为已确立临床疗效的证据。主要障碍可能包括宿主细胞毒性、聚集效应、蛋白冠、分布和药代动力学的不确定性、纳米颗粒耐受性、环境持久性、剂量标准化、生产以及监管框架不完善。

论文主体内容总结

引言

抗菌耐药性（AMR）是当今高度互联社会中一个重大而紧迫的全球健康问题，降低了抗菌治疗的有效性并增加了治疗失败的风险。世界卫生组织（WHO）近期将抗生素耐药性列为全球十大公共卫生问题和发展威胁之一。一项系统性全球分析估计，2017年有127万人死亡可归因于细菌性AMR。据估计，到2050年AMR的全球负担可能超过2.9万亿美元。AMR还影响手术、化疗和器官移植等操作的安全性，并因抗菌药物的不当使用、耐药微生物的出现和耐药性的传播而进一步加剧。此外，耐药细菌可以从自然栖息地转移到人类和动物群体中，导致抗生素耐药菌株的全球分布。

为应对抗生素耐药性日益严峻的挑战，迫切需要开发新药、诊断方法和治疗策略。纳米技术可为探索替代性抗菌和药物递送策略提供创新平台。纳米材料具有高表面积与体积比和高适应性等独特特征，可改善药物溶解度、稳定性和刺激响应性释放。这些特征可能对多重耐药微生物有效，并相比传统治疗具有潜在优势。但性能高度依赖于制剂和具体环境。已研究的用于抗菌应用的金属和金属氧化物纳米材料包括金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、铝（Al）、镉（Cd）、铈（Ce）、镍（Ni）、镁（Mg）、硒（Se）、钛（Ti）、钯（Pd）、超顺磁性铁（Fe）和锌（Zn）。值得注意的是，其中几种金属（如Cd）具有公认的哺乳动物和环境毒性，这限制了其转化潜力。金属及金属氧化物纳米颗粒因其物理化学性质可影响其与细菌细胞的相互作用而被广泛研究。然而，其抗菌性能随纳米颗粒组成、物理化学特征、细菌种类、制剂和实验条件的不同而显著变化。因此，需要将合成策略和物理化学决定因素与抗菌机制、抗生物膜活性、抗菌谱、协同效应和转化局限性联系起来进行综合评价。

合成方法

绿色合成法

具有抗菌活性的纳米材料绿色合成涉及使用环境友好的方法和材料。前体盐提供金属，而生物前体充当还原剂或稳定剂。用作前体的天然化合物或提取物包括植物提取物、微生物来源或壳聚糖、淀粉等生物聚合物。与传统的物理和化学方法相比，绿色合成可以减少对外部还原剂和封端剂的需求，并可避免产生一些有害副产物。此外，适当选择生物合成材料可能为调控金属纳米颗粒的物理化学性质和表面形貌提供机会。然而，仍存在重要挑战，特别是生物合成纳米颗粒特性和潜力的验证、大规模生产及其工业层面的接受度。植物化学物质如生物碱、萜烯、皂苷、酚类、醇类和蛋白质可作为还原剂和封端剂，其与纳米颗粒表面的结合可能影响纳米颗粒的生物活性和生物相容性。

例如，Rajkumar等人利用匙羹藤叶合成了银基纳米材料，以0.1 mM硝酸银（AgNO?）水溶液作为前体。Soliman等人利用红酵母菌株ATL72生物合成银基纳米材料，并通过孔扩散法评价其对大肠杆菌（革兰氏阴性）和金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性）的抗菌性能。Saxena等人利用洋葱液还原硝酸银合成银纳米颗粒，并报告其对鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌均具有抗菌活性。

真菌介导的绿色合成

真菌介导的绿色合成也被用于生产具有抗菌活性的金属纳米颗粒。Saxena等人利用核盘菌MTCC 8785的无细胞滤液通过胞外绿色合成方法合成了银纳米颗粒（AgNPs）。在优化条件下，合成的AgNPs呈球形，尺寸约为10 nm。AgNPs对大肠杆菌ATCC 25922和金黄色葡萄球菌ATCC 25923均表现出抗菌活性，两种菌株的最低抑菌浓度（MIC）均为100 ppm。

细菌介导的绿色合成

细菌介导的绿色合成也被用于生产具有抗菌活性的金属纳米颗粒。一项研究利用类芽孢杆菌属MAHUQ-63的培养上清液报告了球形AgNPs的胞外生物合成，尺寸范围为15至55 nm。生物合成的AgNPs对肠道沙门氏菌和白色念珠菌表现出抗菌活性，MIC值分别为25和12.5 μg/mL，两种微生物的MBC均为25 μg/mL。

地衣介导的绿色合成

地衣代表了金属和金属氧化物纳米颗粒绿色合成的另一种生物来源。地衣来源的次生代谢物也具有抗菌活性。例如，利用原壁菌属代谢物，松萝酸、铜-松萝酸纳米颗粒（CUNPs）和铜-百里酚纳米颗粒（CTNPs）对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的MIC/MBC值分别为20、40和40 μg/mL。利用石果衣合成的ZnO@TiO?@SiO?和Fe?O?@SiO?纳米复合材料对念珠菌属表现出抗真菌活性。利用梅衣合成的AgNPs产生平均尺寸低于50 nm的棒状颗粒，对土曲霉的抑菌圈为14 mm。

化学还原法

化学还原法是合成具有可控物理化学特征的金属纳米材料的广泛使用途径之一。通常，该路线需要前体盐、一种还原剂、反应诱导剂以及封端或稳定剂。还原剂将相应的金属离子还原形成液体中稳定的纳米颗粒，随后通过微波干燥。对于银纳米材料的合成，硝酸银常作为金属前体，水合肼作为还原剂，十二烷基硫酸钠（SDS）和柠檬酸钠作为稳定剂。这些银基纳米材料对包括大肠杆菌和铜绿假单胞菌在内的革兰氏阴性菌以及革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌均表现出抗菌活性。硼氢化钠用作还原剂，乙醇用作封端或保护剂。同样的方法也用于金、铜、铝、镉、铈、镍、镁、硒、钛、钯、超顺磁性铁和锌的合成。

微波辅助合成法

微波辅助合成是一种快速发展的纳米颗粒生产方法，具有加热快、反应时间短和产率提高等优点。选择合适的前体材料对合成目标纳米颗粒至关重要。将选定的盐溶解在合适的溶剂或分散介质中，加入所需的还原剂、稳定剂或表面活性剂。将反应混合物置于微波反应容器中，在适当的功率和频率下进行微波辐照。辐照完成后，将反应混合物冷却至室温，然后通过离心、过滤或透析等技术纯化样品。Ahammed等人利用微波辅助方法合成了ZnO纳米颗粒，并通过孔扩散法评价了其对克雷伯菌属KH15、伤寒沙门氏菌SH7、大肠杆菌EH19和金黄色葡萄球菌8a的抗菌活性。

水热法

水热法广泛用于合成各种类型的纳米材料。该技术涉及前体材料在封闭系统中于高温高压条件下的反应，通常在 aqueous 溶液中进行。将前体金属盐溶解在合适的溶剂中，可加入表面活性剂或封端剂控制颗粒形貌。前体溶液密封在反应容器中，加热至100 °C至300 °C的温度范围，通过高压釜维持高压。前体分子经历成核过程，在高温高压条件下形成所需纳米材料的小团簇或晶核，随后通过前体分子在表面的添加而生长。反应完成后冷却至室温，通过离心、过滤或其他分离技术分离新合成的纳米材料。Liu等人通过一步水热法制备了聚乙烯亚胺（PEI）功能化的银纳米颗粒，无需额外还原剂，因为PEI同时充当稳定剂和还原剂。

溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是另一种广泛使用的纳米材料合成技术，优选用于金属氧化物和有机-无机杂化材料的合成。该过程始于溶胶的制备，即纳米颗粒或分子簇在液体溶剂中的稳定胶体悬浮液。前体分子经历水解反应，形成金属氢氧化物或羟基氧化物物种。水解后，金属氢氧化物或羟基氧化物经历缩合反应，聚合形成三维网络，即"凝胶"。凝胶随时间老化或熟化，进一步缩合导致网络结构致密化并形成更大的纳米颗粒。El-Batal等人使用溶胶-凝胶法合成了尖晶石纳米铁氧体。Ashour等人通过溶胶-凝胶法合成的金属取代钴铁氧体纳米颗粒对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌进行了抗菌活性检测，所有铁氧体均对测试菌株表现出抗菌活性。

抗菌作用机制

金属纳米颗粒具有多种抗菌机制，如细胞壁损伤、膜刚性改变、特定代谢途径的破坏以及生理损伤，包括离子渗透、离子溶解和活性氧（ROS）的产生。纳米材料的特性如形状、尺寸、表面积/体积比和表面修饰可影响金属纳米颗粒的杀菌和生物相容性。

膜破坏

细菌细胞壁对于维持重要代谢途径和调控分子进出至关重要。革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有带负电荷的细胞壁，有利于与带正电荷的纳米颗粒发生静电相互作用。纳米颗粒与细菌接触后，其掺入和穿孔会造成膜损伤。纳米颗粒的附着可改变膜组织和通透性，导致膜去极化并促进胞内成分泄漏。这些相互作用还可能促进ROS的产生。小于10 nm的Ag纳米颗粒因膜破裂和细胞穿透而表现出抗菌活性。较小尺寸的AgNPs因能够穿过细胞膜而更有效。纳米颗粒进入细胞后，其与核酸的相互作用是主要抗菌机制。暴露于AgNP后，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌中观察到DNA凝缩。细胞内过量金属离子积累可导致双链DNA断裂。

氧化应激

活性氧（ROS）的形成是金属纳米颗粒抗菌作用的关键过程。高浓度ROS可通过氧化应激和脂质过氧化损伤细胞膜，还可通过肽聚糖形态学破坏损伤细胞壁，分解核酸和蛋白质，最终导致细胞死亡。不同纳米颗粒产生不同的ROS组合，导致不同的抗菌特性。例如，Ag和Cu纳米颗粒产生所有形式的ROS，而MgO-NPs仅产生超氧自由基，ZnO NPs仅产生羟基和过氧化氢自由基的组合。纳米颗粒可通过多种机制促进ROS产生，包括与细菌细胞包膜的直接相互作用、细胞摄取、表面反应以及纳米颗粒溶解过程中金属离子或活性物种的释放。含有氧化还原活性金属的纳米颗粒还可能扰乱细胞内氧化还原稳态。释放的金属离子可能参与类Fenton反应，促进从过氧化氢形成高反应性羟基自由基。ROS的产生程度和主要ROS种类取决于纳米颗粒组成、尺寸、表面性质、晶体缺陷、溶解行为及周围生物环境。

蛋白质干扰

细菌细胞膜和细胞壁上蛋白质的干扰可破坏细胞壁，影响电子传递链，阻止细胞的发育和呼吸。离子干扰ATP合成所需的胞质蛋白，使其失活并损害细胞的正常功能。离子还通过分解核糖体组分和阻止核糖体亚基与tRNA结合来阻碍蛋白质合成。Cui等人利用转录组和蛋白质组技术证明，Au纳米颗粒通过降低ATP浓度和通过阻断ATP酶活性及核糖体亚基与tRNA偶联来崩溃膜电位，从而对大肠杆菌产生抗菌作用。

生物膜形成抑制

生物膜形成与抗菌耐药性是密切相关的现象。细菌可附着于表面形成称为生物膜的复杂群落，这种异质结构使微生物对抗菌化合物的抵抗力增强1000倍。约65%的感染性疾病主要由生物膜形成引起。金属纳米颗粒通过多种机制对抗生物膜形成并破坏现有生物膜：它们可通过穿透细胞外基质和破坏生物膜结构完整性来物理破坏生物膜；银、铜和氧化锌等金属纳米颗粒可释放具有抗菌活性的金属离子，破坏生物膜形成并杀死生物膜内的细菌；一些纳米颗粒可干扰细菌群体感应系统，从而减少生物膜形成和毒力；纳米颗粒还可抑制参与生物膜形成和维持的酶活性。带正电荷的纳米颗粒对生物膜破坏更有效，因为正电荷纳米颗粒可强烈附着于带负电荷的生物膜结构。尖锐的三角形纳米颗粒比球形和棒状纳米颗粒对细菌细胞的损伤更严重。多种纳米颗粒类型，包括AgCl-TiO?、氧化镍、银、金、硒、碲和硅，可阻碍群体感应机制并阻止生物膜生长。