氧化锌纳米颗粒与抗生素协同对抗细菌耐药性：一项范围综述

《Advanced Biotechnology》：Synergistic effect of zinc oxide nanoparticles and antibiotics: a strategy to combat bacterial resistance

　　

抗菌药物耐药性（Antimicrobial Resistance, AMR）持续削弱传统抗生素的临床效用，凸显了对创新辅助策略的需求。氧化锌纳米颗粒（Zinc Oxide Nanoparticles, ZnO-NP）因其固有的抗菌性能以及通过多模式机制增强抗生素活性的能力而受到关注。本范围综述遵循PRISMA-ScR指南，系统梳理了关于ZnO-NP与抗生素联用（ZnO-NP-antibiotic）的现有证据。在PubMed、Scopus和Web of Science中的检索确定了14项符合条件的研究。为确保文献覆盖全面，研究人员使用Google Scholar和纳入研究的参考文献列表进行了额外人工检索，又识别出10篇文献。最终共纳入24篇文章。多数研究基于简单物理混合物（n=13）；较少研究探索了ZnO-NP-antibiotic之间的偶联（n=3）、包封系统（n=4）或载药系统（n=4）。多种抗生素类别均一致报告了更好的抗菌活性。尽管所有研究均评估了浮游活性，仅有10项研究纳入了生物膜模型。值得注意的是，转化成熟度仍然有限：超过一半的研究（n=14）未包含毒性评估，安全性评价基于体外细胞毒性试验（in vitro cytotoxicity assays, n=5）、体内研究（in vivo investigations, n=5）或鸡胚绒毛尿囊膜试验（Hen's Egg Test—Chorioallantoic Membrane, HET-CAM, n=1）。这些发现表明，ZnO-NP-antibiotic系统仍主要处于早期开发阶段。未来的进展需要标准化的抗生物膜方法、系统的毒理学分析、药代动力学表征以及机制验证，以建立可重复的构效关系。解决这些转化和监管挑战将决定纳米颗粒介导的协同作用能否从实验室概念验证推进到临床可行的抗微生物策略。

该论文为一篇范围综述，系统梳理了氧化锌纳米颗粒（ZnO-NP）与抗生素联用（ZnO-NP-antibiotic）的现有证据。以下按原文结构进行学术总结。

**1 引言**

引言指出，青霉素的发现开启了现代医学治疗感染性疾病的新纪元，但数十年来抗生素的广泛及不当使用，加上新型抗菌药物开发缓慢，加速了抗菌药物耐药性（AMR）的产生，使其成为21世纪最关键的全球健康挑战之一。AMR是一个涉及结构防御、遗传修饰、代谢重编程和协同生存策略的多因素过程。除遗传突变和结构改变外，某些高耐药病原体如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）可通过改变自身表面电荷来响应生物材料的静电特性，从而降低抗菌材料的有效性。细菌与生物材料接触形成的界面中，环境静电性质决定材料（如抗生素）的疗效。例如在负电荷表面，细菌可将其表面电荷调整为更正性，从而排斥万古霉素等阳离子抗生素，产生治疗耐受并促进生物膜形成。生物膜作为适应性耐药的重要表现，其形成依赖表面黏附蛋白、胞外基质合成、基因表达调控及代谢重编程等复杂机制。纳米技术，特别是ZnO-NP，因其独特的理化性质，包括可调的尺寸和形貌、高比表面积、以及释放Zn²⁺离子、破坏细菌膜、干扰代谢途径等多元抗菌机制，被视为克服传统治疗局限的策略。将ZnO-NP与市售抗生素联用可能产生协同效应，增强抗菌功效并延缓耐药发生。该综述旨在系统分析与整合ZnO-NP-antibiotic协同策略的证据，重点评估抗菌性能与转化局限性。

**2 方法学**

本范围综述按照乔安娜布里格斯研究所（Joanna Briggs Institute）的建议开展，并依据PRISMA-ScR指南报告。研究问题与纳入标准采用PCC（Population, Concept, Context）框架构建，其中人群为抗菌试验中的微生物，概念为ZnO-NP-antibiotic联用，情境为评估抗菌活性的实验微生物学研究。检索于2025年11月在PubMed、Scopus和Web of Science三个数据库进行，无时间与语言限制，使用布尔运算符组合相关描述词。为尽量减少遗漏，还补充了Google Scholar人工筛查和纳入文献参考文献列表检索。共纳入24篇符合标准的研究。纳入标准要求研究报告了实验性抗菌试验并调查了ZnO-NP与抗生素之间的协同作用，无论采用共给药、表面功能化、化学偶联或联合递送形式。排除标准包括非抗生素类化合物协同、其他金属纳米颗粒与抗生素联用，以及综述、社论等非原始研究。数据提取收集了标题、作者、期刊、ZnO-NP结构特征、抗生素类别、微生物学与毒理学试验及抗菌结果。为解释研究间的异质性，根据各研究所用方法学标准对协同证据进行了分类：报告分数抑菌浓度（Fractional Inhibitory Concentration Index, FICI）≤0.5和/或时间-杀菌曲线证据的研究归类为定量支持的协同；仅报告最低抑菌浓度（Minimum Inhibitory Concentration, MIC）/最低杀菌浓度（Minimum Bactericidal Concentration, MBC）降低或抑菌圈增大等结果者归类为潜在协同或增强抗菌活性；仅报告生物膜抑制或清除者归类为抗生物膜增强；而基于统计学显著性、酶抑制或非标准化检测者归类为未定量确认。对涉及体内动物实验的研究，使用SYRCLE工具评估偏倚风险。

**3 结果**

数据库检索获得5,053条记录，去除重复后2,801篇进入标题和摘要筛选，最终93篇进行全文评估，排除79篇后，人工检索补充10篇，共24篇纳入定性分析。纳入研究发表于2016至2025年，时间分布显示近年发文数量增加。在制剂类型上，物理混合物最多（n=13），偶联（n=3）、包封系统（n=4）和载药系统（n=4）较少。微生物靶标方面，革兰氏阴性菌占62.96%，革兰氏阳性菌占37.04%。试验模型上，58.3%的研究仅评估浮游条件，29.41%的研究结合了生物膜试验。抗生素类别中，氟喹诺酮类（27.27%）和β-内酰胺类（20.45%）最常见，其他类别如四环素类、酰胺醇类、林可酰胺类、氨基糖苷类和多黏菌素类报道较少。安全性方面，14项研究未包含毒性评估，5项进行了体外细胞毒性试验，5项进行了体内研究，1项采用了HET-CAM试验。5项体内研究经SYRCLE评估后，多数领域被评为“不清楚”偏倚风险，整体偏倚判断均为“不清楚”，主要源于随机化、分配隐藏、饲养和盲法报告不足。

**4 讨论**

**4.1 抗生素类别与提出的互补机制**

不同抗生素类别通过干扰细菌关键过程发挥作用，其疗效受细菌包膜结构、通透性和代谢状态影响。ZnO-NP通常被描述为具有广谱、多因素作用模式，包括产生活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）、释放Zn²⁺离子、破坏膜稳定性和干扰代谢。与抗生素联用时，ZnO-NP可能通过增加细菌膜通透性、促进抗生素细胞内积累、抑制外排泵或破坏细胞壁来增强抗菌活性。然而，多数纳入研究提出的机制是基于ZnO-NP已知行为或间接结果推断，而非直接机制验证。氟喹诺酮类是最常研究的类别（12项研究），针对13株革兰氏阳性和18株革兰氏阴性菌。β-内酰胺类和碳青霉烯类表现出针对成熟生物膜和多重耐药菌的显著潜力。四环素类、林可酰胺类、酰胺醇类和硝基咪唑类则多在特定递送系统（如包封或包被）中研究。总体而言，证据支持多种抗生素类别均存在增强效果，但研究间在菌株、纳米粒性质、制剂策略和实验条件上差异较大，无法直接比较哪一类抗生素效果最优。

**4.2 理化性质对抗菌性能的影响**

ZnO-NP的粒径、表面电荷、合成方法和表面功能化是决定抗菌活性的关键因素。纳入研究的粒径范围从约10 nm到数百纳米不等，较小粒径通常提供更高的比表面积，便于与细菌包膜接触和ROS生成。表面电荷影响静电相互作用，而聚乙二醇（PEG）、壳聚糖、二氧化硅等涂层可改变稳定性、分散性、生物相容性和药物释放行为。然而，这些理化参数并未在所有研究中统一报告，多项研究仅提供粒径信息，缺乏Zeta电位、多分散性、聚集状态和结晶度等关键数据，限制了对构效关系的推断。未来需系统报告纳米粒尺寸分布、形貌、Zeta电位、表面官能化、载药量和释放曲线。

**4.3 协同效应的解读与方法学标准**

FICI是最常用的抗菌相互作用定量参数，通常FICI≤0.5视为协同，>0.5至1.0为相加，>1.0为无关或拮抗。时间-杀菌曲线中，联用组合较最有效单药降低至少2 log₁₀ CFU/mL可视为强协同证据。本综述发现，不同研究对“协同效应”的使用标准差异显著。部分研究采用FIC/FICI或时间-杀菌分析，另一些则仅根据抑菌圈增大、MIC/MBC降低、生物膜效应、酶抑制或统计显著性推断协同。本综述将前者视为更强证据，后者仅视为增强活性或潜在协同。因此，当前证据支持ZnO-NP增强抗生素活性，但协同的解释受方法学标准化不足限制。未来应优先采用棋盘滴定、FICI计算、时间-杀菌曲线、耐药临床分离株及机制验证。

**4.4 制剂策略与报告的抗菌相互作用**

**物理混合物**：24篇中13篇采用ZnO-NP与抗生素简单共给药，未预先关联。这些研究普遍报告MIC、MBC显著降低及生物膜减少，但仅5项进行了FIC/FICI测定。物理混合物虽可证明增强效果，但缺乏药物释放与药代动力学研究，难以确保制剂中的稳定性。

**偶联系统**：4项研究开发了功能化ZnO-NP-antibiotic偶联物。例如腐殖酸功能化ZnO-NP包封环丙沙星，绿色合成ZnO-NP递送左氧氟沙星等。这些研究显示出增强的抗菌活性或酶抑制，但均未计算FICI，多基于ANOVA等统计比较判断协同。

**包封系统**：4项研究将ZnO-NP-antibiotic整合入聚合物或混合基质，如矿物三氧化物凝聚体（MTA）复合水凝胶、壳聚糖-PEG分层结构、PEG包覆ZnO-NP载环丙沙星、以及壳聚糖/聚乙烯吡咯烷酮/明胶纳米纤维递送阿米卡星和头孢吡肟。这些系统在牙科和伤口愈合中展现潜力，具有良好的生物相容性，但同样缺乏FICI确认，需谨慎解读。

**载药纳米粒**：3项研究将抗生素通过物理吸附加载于ZnO-NP表面或介孔结构。包括庆大霉素/氯霉素双载药、阿奇霉素吸附、以及介孔ZnO-NP递送哌拉西林-他唑巴坦和环丙沙星。载药系统在体内模型中显示出伤口愈合加速或感染清除效果，但均未计算FICI，仅通过MIC降低、抑菌圈增大或生长动力学评估，归类为潜在协同。

**4.5 微生物学特征与生物学测试**

所有纳入研究均进行了浮游抗菌试验（MIC、MBC、抑菌圈），这是初步筛选的必要手段，但浮游模型无法完全模拟临床感染微环境。仅10项纳入了生物膜模型，其中抑制试验评估预防生物膜形成，清除试验测定最低生物膜清除浓度（MBEC）。结果显示，ZnO-NP-antibiotic联用在抑制初始形成和清除成熟生物膜方面均有积极效果，可能通过ROS产生和破坏胞外基质促进渗透。但多数研究仍缺乏标准化的抗生物膜方法，限制了临床相关性。

**4.6 毒理学评价**

毒理学证据有限且异质。14项研究未进行任何毒性评估。在进行了安全性分析的10项中，5项为体外细胞毒性试验（如Vero细胞、成纤维细胞、HEK-293、BHK-21细胞系），5项为体内评估，1项为HET-CAM。部分研究发现，ZnO-NP与抗生素联用后细胞毒性低于单独ZnO-NP，这可能与表面修饰或ROS变化有关。体内研究主要聚焦于疗效（如伤口愈合或感染控制），而非系统性毒性，缺乏生物分布、药代动力学、器官蓄积和长期安全数据。SYRCLE评估显示体内研究存在报告不充分的偏倚风险。

**5 局限性、证据缺口与未来展望**

本综述存在若干局限。尽管采用了补充人工检索，仍可能遗漏因索引差异而未识别的相关研究。纳入研究的方法学异质性明显，多数仅使用少量菌株且多为参考菌株，而非耐药临床分离株。协同效应常由原始作者自行判定，缺乏FICI或时间-杀菌等定量方法。ZnO-NP粒子的理化表征不完整，限制构效关系建立。毒理学证据深度不足，体内研究主要关注疗效而非安全性。此外，制药与监管层面存在制造可重复性、中试放大、质量控制和GMP合规等缺口。未来研究应优先采用标准化抗菌相互作用模型，纳入耐药临床分离株，完整表征纳米粒，系统开展毒理学和药代动力学评估，并改进体内实验报告规范。

**6 结论**

ZnO-NP与抗生素联用可在多种抗生素类别中增强抗菌活性，表现为MIC/MBC降低、抑菌圈增大和生物膜减少，提示该策略具有对抗细菌耐药的潜力。然而，现有证据多处于早期概念验证阶段，物理混合物占主导，偶联、包封和载药系统虽日渐增多，但标准化协同判定、生物膜方法、全面毒理评估和体内验证仍不足。未来需通过更严格的比较研究、定量协同分析、系统性毒理学评价和监管导向的临床前验证，推动ZnO-NP-antibiotic系统从实验室走向临床。