納米銀滅菌機(jī)制及應(yīng)用研究進(jìn)展

陳飛飛 陳芳艷 王葉云 鐘楊生 林健榮 李文楚

摘要 納米銀作為一種新型材料，在國(guó)際上被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、食品、化工和通訊等領(lǐng)域。納米銀具有其他材料所不具備的優(yōu)點(diǎn)，其中廣譜的抗菌性和病菌對(duì)其無(wú)耐藥性的影響尤為顯著。納米銀破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)后又通過(guò)一系列作用來(lái)影響細(xì)菌代謝和DNA的復(fù)制等，最終達(dá)到滅菌的效果。對(duì)納米銀的滅菌機(jī)制和應(yīng)用進(jìn)行了綜述，闡述納米銀在滅菌過(guò)程中的一些作用機(jī)制，并對(duì)納米銀的抗菌性研究前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 納米銀；細(xì)胞壁；細(xì)胞膜；細(xì)菌代謝；DNA

中圖分類號(hào) S23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2016）09-028-03

Abstract As a new type of material， nanosilver is widely used in medicine， food， chemical industry and communication. Nanosilver has advantages that other materials do not have， broad spectrum of antibacterial ability and nonresistance of bacteria is particularly significant.Nanosilver can destroy bacteria cell wall and cell membrane， after entering bacterial cytoplasm and through a series of action to affect bacteria metabolism and DNA replication， eventually achieve the sterilization effect. The sterilization mechanism and application of nanosilver was reviewed， several action mechanisms in sterilization process were elaborated， and the antibacterial research prospect of nanosilver was forecasted.

Key words Nanosilver； Cell wall； Cell membrane； Bacterial metabolism； DNA

納米技術(shù)一直是21世紀(jì)研究的熱點(diǎn)，被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。其中，納米銀是納米技術(shù)的一種產(chǎn)物，是金屬銀粒徑在納米水平上的單質(zhì)，具有良好的導(dǎo)電、催化和防腐抗菌等作用，因此被廣泛應(yīng)用到工程、工業(yè)、食品和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中[1-2]。從納米銀被發(fā)現(xiàn)至今，已有大量試驗(yàn)證明納米銀具有極大的比表面積、小尺寸效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，同時(shí)具有廣譜抗菌性和細(xì)菌對(duì)其無(wú)耐藥性的優(yōu)點(diǎn)[3-6]，具有其他材料無(wú)法比擬的抗菌活性，并且對(duì)一些真菌、病毒等也有較強(qiáng)的殺滅作用[7-8]。鑒于納米銀有如此多的優(yōu)點(diǎn)，因此納米銀作為一種新型材料，被廣泛開發(fā)應(yīng)用，使得國(guó)內(nèi)外人們廣泛接觸到納米銀產(chǎn)品。據(jù)報(bào)道稱，納米銀對(duì)人類健康和環(huán)境存在很大的威脅，引起科研人員對(duì)納米銀材料安全性的關(guān)注，近些年對(duì)納米銀毒性研究報(bào)道的較多，有關(guān)體外試驗(yàn)表明納米銀針對(duì)各器官產(chǎn)生毒性[9]。ZHANG T等[10]在細(xì)胞水平上對(duì)納米銀的潛在毒性進(jìn)行了討論。為了評(píng)定納米銀的毒性問題，許多研究方法應(yīng)運(yùn)而生，但大多數(shù)只是形態(tài)學(xué)的測(cè)定，很少有從整體上進(jìn)行測(cè)定，因此目前不能全面評(píng)定納米銀的安全性[11]。在生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中，由于納米銀是一種稀有的無(wú)機(jī)殺菌材料，并且極少量具有很強(qiáng)的滅菌作用[12]，所以納米銀的抗菌性至今仍是重點(diǎn)研究對(duì)象。研究納米銀的滅菌機(jī)理對(duì)進(jìn)一步開發(fā)和有效的利用納米銀具有重要的指導(dǎo)意義。筆者在細(xì)胞水平上對(duì)納米銀滅菌機(jī)制進(jìn)行了綜述，以期為納米銀的滅菌機(jī)理研究及其進(jìn)一步開發(fā)利用等提供一些參考。

1 納米銀的滅菌機(jī)制

1.1 納米銀直接損傷細(xì)菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜

當(dāng)納米銀接近細(xì)菌時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生的一種物質(zhì)—胞外聚合物，它能夠減少納米銀表面的銀離子和抵抗其滅菌活力[13]。王靜等[14]在納米銀溶膠作用大腸桿菌試驗(yàn)中，透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)有些大腸桿菌破損溶解和胞內(nèi)物質(zhì)流出，說(shuō)明納米銀對(duì)大腸桿菌細(xì)胞壁和細(xì)胞膜有一定作用。革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)不同，所以納米銀對(duì)不同類型細(xì)菌的細(xì)胞壁作用效果不同[15]。Kim Jun Sung等[16]研究表明低濃度的納米銀對(duì)酵母菌和大腸桿菌有明顯的抑制作用，但對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制作用不明顯。Li W等[17]研究表明金黃色葡萄球菌在50 μg/mL納米銀溶液中暴露12 h后細(xì)胞壁破裂，細(xì)胞內(nèi)容物被釋放出來(lái)，高濃度的納米銀對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌才有效果，說(shuō)明相同濃度的納米銀對(duì)革蘭氏陰性菌的效果更好。另外，納米銀與細(xì)菌細(xì)胞壁上肽聚糖結(jié)合，形成不可逆化合物，使氧氣和物質(zhì)不能轉(zhuǎn)入細(xì)菌細(xì)胞，使得細(xì)菌死亡[18]。

納米銀穿過(guò)大腸桿菌細(xì)胞壁后與細(xì)胞膜接觸，銀表面的自由基會(huì)攻擊膜脂質(zhì)，能夠破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能，打亂細(xì)胞的離子轉(zhuǎn)運(yùn)體系，從而影響了細(xì)胞膜的通透性，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞的滲透壓升高，使細(xì)胞膜破裂[16，19-20]。一定濃度的納米銀可以在大腸桿菌細(xì)胞膜上發(fā)生膜囊泡溶解和分散，也可以破壞或抑制細(xì)胞膜上的酶活性，從而導(dǎo)致大腸桿菌死亡[21]。納米銀也可能破壞磷脂雙分子層，改變細(xì)胞膜的通透性，使得細(xì)菌死亡。由此可見，納米銀直接破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜可能是滅菌的一種重要機(jī)制，具體有待進(jìn)一步研究。

1.2 納米銀對(duì)細(xì)菌代謝的影響

當(dāng)納米銀嵌入細(xì)胞膜，則釋放銀離子，破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性，使得細(xì)胞內(nèi)的大量無(wú)機(jī)鹽、蛋白質(zhì)和還原糖外漏，影響跨膜運(yùn)輸，破壞了細(xì)菌細(xì)胞與細(xì)胞通信、細(xì)胞與外界的代謝系統(tǒng)，降低細(xì)胞生長(zhǎng)速度[22-24]。由于納米銀小尺寸效應(yīng)等特征，從而能夠輕易地進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞，但對(duì)細(xì)胞代謝的影響受納米銀還是銀離子的作用尚不清楚。在細(xì)胞內(nèi)，有關(guān)試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)含有納米顆粒的熱敏凝膠能夠與損害的細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)凝結(jié)[15]，納米銀通過(guò)調(diào)節(jié)酪氨酸磷酸化來(lái)干擾細(xì)胞信號(hào)通路，對(duì)細(xì)胞活力和分裂有重要作用，影響細(xì)菌細(xì)胞的代謝[25]。

研究表明，銀離子可能與巰基有密切關(guān)系[26]，納米銀周圍釋放的銀離子也可能與細(xì)菌體內(nèi)的含有巰基的酶結(jié)合，從而使那些以巰基為必需基團(tuán)的酶失去活性，如納米銀能夠誘使大腸桿菌呼吸鏈上脫氫酶降低活性，并且隨著納米銀濃度的升高，脫氫酶活性就越來(lái)越低[21]。由此可見，納米銀與呼吸鏈上面酶結(jié)合，使酶失去活性，抑制三磷酸腺苷（ATP）形成和呼吸作用，使得細(xì)菌不能獲得能量而死亡；也可能與蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)中的二硫鍵結(jié)合，阻斷蛋白質(zhì)的正常生理活性，從而抑制細(xì)胞新陳代謝，達(dá)到滅菌效果[27]。納米銀能夠使得線粒體膜電位下降，造成線粒體功能明顯下降，沉積到線粒體中，產(chǎn)生大量的活性氧（ROS），誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)，損害細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)體[11，28-30]，因此納米銀可能損害一些真菌細(xì)胞中的細(xì)胞器（如葉綠體、核糖體等），抑制細(xì)胞內(nèi)的代謝，從而抑制菌體的繁殖生長(zhǎng)。此外，納米銀也可以作用糖和脂肪抑制細(xì)菌代謝。

1.3 納米銀對(duì)遺傳物質(zhì)DNA的影響

大量研究表明，滅菌過(guò)程中納米銀對(duì)DNA有影響，但其作用機(jī)制尚不清楚。有關(guān)試驗(yàn)采用切片法進(jìn)行研究，透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)納米銀通過(guò)大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)，進(jìn)而攻擊細(xì)胞核質(zhì)[14]，由此可見在滅菌過(guò)程中納米銀可能通過(guò)核膜，對(duì)細(xì)胞核內(nèi)有重要的影響，但是一般納米銀很難通過(guò)核膜。普遍認(rèn)為，納米銀對(duì)DNA損傷存在2種方式：①納米銀損壞核膜，使細(xì)胞核破裂直接作用于DNA；②納米銀使溶酶體破裂，脫氧核糖核苷酸酶釋放進(jìn)入細(xì)胞核，間接作用于DNA，使得DNA雙鏈斷裂[11，29]。此外，細(xì)胞內(nèi)高水平的活性氧也可能損壞DNA[30]。劉鵬鵬等[31]研究發(fā)現(xiàn)在PCR體系納米銀可能抑制DNA合成，主要可能是因?yàn)槠鋵?duì)模板、引物和聚合酶的強(qiáng)吸附作用。只有隨機(jī)分布在核區(qū)松散的DNA才能進(jìn)行自我復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，經(jīng)過(guò)納米銀顆粒處理的大腸桿菌使DNA降解或者使DNA濃縮呈現(xiàn)緊張狀態(tài)，DNA失去自我復(fù)制和轉(zhuǎn)錄成mRNA的能力[32-34]。在紅細(xì)胞中，納米銀也可能誘導(dǎo)RNA聚合酶聚合失去活性，從而阻礙DNA的轉(zhuǎn)錄[35]。納米銀也可能通過(guò)與DNA堿基結(jié)合，從而破壞了嘌呤和嘧啶相鄰氮之間的氫鍵，使DNA變性，無(wú)法正常復(fù)制，達(dá)到滅菌的效果[36]。納米銀對(duì)病菌DNA的作用比較復(fù)雜，需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

2 納米銀的應(yīng)用

在古代，人們利用銀器存放食物和使用銀針檢測(cè)食物毒性，近代人們已經(jīng)知道這些現(xiàn)象是由于銀離子具有較強(qiáng)的抗菌性?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)使銀被納米化具有更強(qiáng)的抗菌性，并且納米銀比銀離子更穩(wěn)定，因此被人們應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)上，由于納米銀具有極大的比表面積，能夠釋放大量的銀離子，具有防止感染和加快愈合的效果，從而被用作醫(yī)用敷料[37-39]，并且納米銀抗菌敷料對(duì)燒傷的傷口有特別好的效果[40]。變異鏈球菌是一種致齲菌，而納米銀對(duì)唾液鏈球菌和變異鏈球菌有很好的抗性，并且未發(fā)現(xiàn)其耐藥性，因此可以取代氟化物作為新興的防齲劑[41-42]。另外，納米銀也已經(jīng)應(yīng)用在婦科炎癥治療、外形整容手術(shù)和醫(yī)療器械中。在食品中，納米材料聚合物作為一種新型的食品包裝材料，具有取代傳統(tǒng)的包裝材料的趨勢(shì)[43]，因?yàn)槭称钒b材料必須具有以下功能：阻礙微生物污染、保鮮等作用；防止水分、氧氣、二氧化碳和其他揮發(fā)性物質(zhì)的滲透；具有一些基本的光學(xué)、熱性能和機(jī)械的基本屬性；對(duì)環(huán)境無(wú)污染[44-45]。在日常生活用品中，有一些由納米銀制成的棉織物紡織品被應(yīng)用，因其具有良好的物理、化學(xué)和抗菌性，廣受人們喜愛[46]。為了獲得干凈安全的飲用水，人們必須用一些消毒劑進(jìn)行處理，而現(xiàn)今人們可以利用納米銀材料制作濾膜裝置，可以達(dá)到純化飲用水的效果，且更為方便和安全[47]，也可以利用納米銀制成新型的消毒劑[48]，有很好的消毒效果，尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)其環(huán)境有影響[49]。鑒于納米銀的廣譜滅菌性，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)許多相關(guān)產(chǎn)品，比如保鮮膜、抗菌涂料和計(jì)生用品等一系列生活用品。

3 小結(jié)與展望

納米銀的出現(xiàn)僅僅十多年，人們已經(jīng)對(duì)其抗菌性做了大量的試驗(yàn)研究，主要是在形態(tài)、尺寸和劑量進(jìn)行研究，但是對(duì)其滅菌機(jī)理還未完全了解。納米銀能夠同細(xì)菌細(xì)胞壁上的肽聚糖作用，在細(xì)胞壁上產(chǎn)生小孔并且穿過(guò)去，它周圍的銀離子所帶的正電荷與細(xì)胞膜上的負(fù)電荷相結(jié)合，作用于細(xì)胞膜，改變了細(xì)胞膜的流動(dòng)性和滲透性等；也可以通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，直接攻擊細(xì)胞器，也可使酶失去活性，還可以通過(guò)其他方式來(lái)破壞細(xì)菌細(xì)胞代謝；攻擊細(xì)菌的DNA，使細(xì)菌失去繁殖和生成蛋白質(zhì)的能力。納米銀通過(guò)以上3種方式作用細(xì)菌細(xì)胞，從而達(dá)到滅菌的效果。此外，納米銀殺死細(xì)菌后可以沉淀下來(lái)，再次被利用殺菌，可達(dá)到保護(hù)環(huán)境的作用。

目前，病菌對(duì)藥物的抗性是研究熱點(diǎn)之一，而病菌對(duì)納米銀無(wú)耐藥性，使得納米銀仍然是個(gè)熱門的滅菌材料。對(duì)納米銀的滅菌機(jī)制尚未了解清楚，對(duì)許多細(xì)菌、真菌和病毒都有一定的作用，但還尚未發(fā)現(xiàn)其對(duì)微孢子蟲的作用研究，可以在這方面做一些研究。納米銀除了可以殺死病菌外，也可以引起病菌衰老、變異等作用，深入研究其殺菌抗病毒機(jī)制有利于拓展納米銀的使用范圍，可能成為禁用抗生素后的新一代抗菌藥物。近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注納米銀的安全性，必須確保納米銀長(zhǎng)期應(yīng)用沒有副作用，可見對(duì)其毒性研究非常重要。

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