基于纳米技术的金属、类金属及复合策略对抗尿路感染：一篇叙述性综述

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Nanotechnology-based metal, metalloid, and hybrid strategies against urinary tract infections: a narrative review

　　

•纳米粒子为对抗尿路感染提供了新策略
•基于金属和二氧化硅的纳米材料破坏生物膜和耐药细菌
•绿色合成提供了一种潜在更安全、更可持续的抗菌纳米粒子途径
•杂化纳米系统可增强靶向递送并有助于减少耐药性的发展
•近期专利推动了抗感染设备的纳米涂层发展
引言
尿路感染（UTI）指发生在尿路不同区域的一类微生物感染，涵盖膀胱、尿道、输尿管和肾脏。这些感染是医院和诊所中最常见的细菌感染类型之一 [1]。估计全球每年有 1.5 亿人遭受尿路感染的困扰 [2], [3]。与男性相比，女性更容易患尿路感染；因此，50-60% 的女性可能在终身至少患一次尿路感染 [4]。根据疾病控制中心（CDC）发布的统计数据，2.3% 的所有死亡可能归因于尿路感染，每年死亡人数超过 13,000 人 [5]。当尿路感染与菌血症相关时，死亡率可能升至 10% [6]。患有奇异变形菌（Proteus mirabilis）相关菌血症的个体死亡风险更大，死亡率在 15% 到 48% 之间。尿路感染约占所有医院获得性感染的 35% [7]。尿路感染的发生频率随年龄增长和导尿时间延长而增加 [8]。老年患者，特别是居住在长期护理设施的患者，患这些感染的风险增加。此外，糖尿病患者由于免疫系统改变而构成高风险人群 [9]。某些其他因素可能会加剧患尿路感染的风险，包括性活动、怀孕、绝经和尿路异常 [10]。尿路感染可表现为下尿路感染（膀胱炎）和上尿路感染（肾盂肾炎）。膀胱炎的特征是膀胱感染，涉及的症状包括尿频、尿急、排尿时烧灼感和下腹部不适，而肾盂肾炎包括肾脏感染，可导致发冷、发烧、恶心和呕吐，以及肋部不适 [11], [12]。大肠杆菌（E. coli）是 80-90% 社区获得性尿路感染的致病菌 [13]。其他细菌，如肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）、奇异变形菌（P. mirabilis）和腐生葡萄球菌（S. saprophyticus），也引起尿路感染 [14]。这些病原体通过多种毒力机制起作用，包括 1 型和 P 型菌毛粘附因子（如 FimH、PapG 和 CsgAm，以及 TosA 蛋白）、胞内细菌群落（IBCs）以及通过 Ag43 自身转运蛋白形成的生物膜 [15], [16]。虽然大部分尿路感染起源于细菌，但一些病例也可能归因于病毒或真菌病原体。尿路感染的发作以尿源性病原体在尿道周围区域的定植为标志 [17]。因此，它们通过尿道上行至膀胱，导致膀胱炎。在更严重的情况下也可能观察到血尿 [18]。如果未受控制，输尿管和肾脏可能受到影响，导致肾盂肾炎。尿路感染预后恶化标志着病原体侵入血管，随后发展为尿源性脓毒症，临床表现为尿液浑浊、炎症、呼吸急促、心动过速和尿量减少 [19], [20]。随后出现低血压、精神状态改变和多器官衰竭，如果不予治疗，最终导致死亡。因此，本叙述性综述的主要目标是评估金属、类金属和杂化纳米技术方法（包括抗菌纳米颗粒和功能涂层）在潜在预防和治疗尿路感染方面的最新进展，重点强调抗菌机制、抗生物膜策略、递送系统和转化挑战。通过检索 PubMed、Google Scholar 和 Web of Science 确定文献。最终文献检索于 2026 年 5 月 31 日进行，文献检索涵盖 2015 年 1 月至 2026 年 5 月，同时酌情额外纳入了少量发布于 2011 年至 2014 年之间的基础研究。主要搜索词包括“尿路感染”与（“纳米粒子”或“纳米技术”）与（“生物膜”或“抗菌”）的组合，此外还包括特定纳米材料类别的术语（包括“银纳米颗粒”、“二氧化钛纳米颗粒”、“介孔二氧化硅纳米颗粒”、“杂化纳米系统”等）。考虑了专注于金属、类金属和杂化纳米技术方法用于尿路感染的英语研究文章（临床前研究）、综述论文、书籍章节和关键参考文献，包括那些与表面功能化纳米金刚石和多组分涂层相关的内容。此外，通过针对专利数据库（InPASS、Espacenet）的定向搜索确定了与本综述中讨论的特定纳米系统或技术相关的专利文件，并在相关情况下予以纳入。排除了与尿路感染无关的研究、会议摘要、社论、评论和重复记录。与综述范围的相关性和科学质量是主要的选择标准，优先考虑具有明确指定的实验方法、适当的对照和可重复方案的最新同行评审研究。本综述评估了载药纳米载体作为潜在有前途且胜任的尿路感染预防和治疗策略的现状，例证了它们提供的益处，同时也承认现有证据主要是临床前的，需要进一步研究。
片段
现行疗法及使用纳米粒子的理由
尿路感染的临床管理主要涉及使用针对致病菌的抗生素。抗生素的选择受多种变量影响，如患者的病史、合并症和过敏史、当地的抗生素耐药模式以及感染的严重程度 [21], [22]。对于女性膀胱炎的一线治疗，现行欧洲泌尿外科学会（EAU）泌尿系统感染指南推荐磷霉素、匹美西林、呋喃妥因
基于金属的纳米技术方法
像金、银、二氧化钛、氧化铜和氧化锌基纳米颗粒这样的金属纳米系统赋予独特的抗菌特性和药物递送益处，用于尿路感染治疗 [57]。它们可以通过物理方法（如激光烧蚀）、化学途径（如还原或溶胶 - 凝胶法）或更环保的生物方法（使用草药提取物和微生物）合成，代表了更安全、更环保的替代方案 [58], [59], [60]。金属纳米颗粒（NPs）可能作为一种金
金纳米颗粒
金纳米颗粒（AuNPs）以其独特的物理化学特性和生物效应为特征，已被广泛用于药物递送和诊断应用 [66]。这些递送系统表现出高度的生物相容性和稳定性，同时具有可修饰的表面以及局域表面等离子体共振（LSPR）等特征 [67]。其特异性内在体现在其尺寸灵活性 - 范围从
二氧化钛纳米颗粒
二氧化钛纳米颗粒（TiO2NPs）在纳米医学领域代表了显著潜力。它们通常被设计成纳米尺度的锐钛矿晶相，尺寸为 5-25 纳米 [81]。其光催化特性对于其发挥药理学作用的方式至关重要，这意味着当暴露于近紫外光或可见光时，它们会产生羟基自由基和超氧离子（活性氧 - ROS），这些物质对细菌有害
银纳米颗粒
银纳米颗粒（AgNPs）由于其多方面的特性，包括显著的稳定性，正在众多行业中变得越来越重要 [92]。它们的尺寸从 1 纳米到 100 纳米不等 [93]。现行银纳米颗粒合成方法侧重于环境保护和成本优化 [94]。除了球磨、激光烧蚀 [95]、电弧放电法 [96] 和基于硼氢化钠的合成 [97] 等传统方法外，诸如
铜基纳米颗粒
基于铜的纳米系统，如氧化铜纳米颗粒（CuO NPs），正逐渐出现作为现行尿路感染治疗的潜在有效替代方案，因为它们对生物膜具有破坏作用。在较高浓度下，Cu2+ 离子可能对微生物有毒 [115], [116]，多重耐药（MDR）菌株也可能易感。CuO NPs 具有诸如高表面积与体积比（SA:V）等属性，这可能导致对细菌细胞壁的潜在破坏性影响 [117]。有趣的是，CuO NPs 可能是抑制剂
锌基纳米颗粒
基于锌的纳米颗粒，如氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs），正在纳米技术领域被越来越多地研究，因其具有多种有益效应，包括潜在的抗菌活性，特别是针对耐药菌株 [129]。它们的某些特征包括固有的半导体特性、高表面积与体积比 [130]、自由基生成，以及 Zn2+ 离子在细菌细胞内积累的能力 [131], [132]。它们的活性氧生成
基于二氧化硅的纳米颗粒
基于二氧化硅的纳米颗粒（SiNPs）可能是应对抗菌耐药性这一有害问题的胜任方法。其可修饰的表面和可调的孔径大小是非常有利的特征，此外还具有最佳的化学和热稳定性 [144] 以及大的表面积。SiNPs 可能以多种形式存在，包括非多孔 SiNPs、介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs-高效药物装载）、中空 MSNs（大容量封装）和核壳 SiNPs（多功能
纳米金刚石
纳米金刚石（ND）基药物递送系统是医学和药学研究中潜在有用创新的一个代表 [166]。这些碳基纳米颗粒作为抗菌剂的潜在载体而受到关注。其抗菌特性主要归因于碳纳米材料表面的化学基团，这些基团与细菌细胞壁相互作用，导致物理破坏和代谢抑制 [167]。NDs 具有诸如等优势
杂化纳米颗粒
尿路感染通常与输尿管支架的存在相关，这伴随着不适以及取出过程中发生的并发症。这个过程被称为取出，涉及治疗后侵入性地取回支架，可能导致疼痛和炎症，并加剧感染风险。为此，Gao 等人开发了一种抗菌可生物降解支架，其中不需要取出。该输尿管支架源自 Au 和 Ag NPs
关于纳米技术方法对抗尿路感染的近期专利
纳米技术的最新进展导致了一系列基于纳米颗粒作为尿路感染治疗方法的专利的出现。Corrado 等人对 2014 年至 2024 年进行的综合专利格局分析确定了 368 份专利文件，分为 181 个专利族，与预防导尿管相关尿路感染（CAUTIs）的抗菌策略有关。77% 的专利文件代表已提交的专利，而 22% 是已授权的专利。地理上，
结论
纳米技术提供了多样化且前景广阔的多种方法，用于潜在治疗尿路感染，尽管大部分支持证据仍处于临床前（体外、体内研究）阶段。金纳米颗粒表现出潜在有益的特性，例证了它们在实验环境中破坏细菌膜和抑制生长的能力。银纳米颗粒在实验室研究中显示出针对广泛感染类型的令人振奋的疗效，包括那些类型
CRediT 作者贡献声明
Mangal S. Nagarsenker：撰写 – 审阅与编辑。Pradeep S. Saroj：撰写 – 原稿。Rajashree Shreeram Hirlekar：撰写 – 审阅与编辑。Daksh Sanjay Gupta：撰写 – 原稿
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
Daksh Sanjay Gupta|Rajashree S. Hirlekar|Pradeep S. Saroj|Mangal S. Nagarsenker