金納米粒對(duì)革蘭陰性菌的作用效果

魏勝兵

（沈陽金域醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)所有限公司，遼寧 沈陽 110164）

1 背 景

革蘭陰性菌能引起人類的嚴(yán)重疾病，尤其是免疫功能低下的人，其中革蘭陰性桿菌（gram-negative bacteria，GNB）引起的醫(yī)院感染是衛(wèi)生保健人員面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題之一[1]。納米材料（nanoparticles，NPs）具有大的比表面積和多功能性，這可以增強(qiáng)它們對(duì)實(shí)驗(yàn)微生物和其他疾病的作用效果[2]。金納米粒（Au nanoparticles，AuNPs）具有無毒、表面修飾的多樣性、多價(jià)效應(yīng)和光熱效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在抗菌藥物的研發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用前景[3]。本文綜述了AuNPs的制備方法、作用機(jī)制及對(duì)革蘭陰性菌的作用效果，為進(jìn)一步的研究提供理論依據(jù)。

2 AuNPs的制備方法

選擇合適的AuNPs合成方法對(duì)于優(yōu)化NPs的尺寸和形狀，從而調(diào)整其性能以適應(yīng)特定的應(yīng)用至關(guān)重要。通過從大塊黃金中破碎而產(chǎn)生NPs和從原子水平開始建立NPs，被稱為“自上而下”和“自下而上”的AuNPs兩種基本制備策略[4]。電化學(xué)方法、播種生長法和生物學(xué)方法是研究中常見到的幾種合成AuNPs的方法。另外一種合成AuNPs的方法是播種生長法，根據(jù)種子生長過程，合成了直徑為5～40 nm窄粒徑分布的薄膜。顆粒大小可通過改變種子與金屬鹽的比例，因此可制備每個(gè)大小都在5～40 nm的粒子。人們?cè)絹碓叫枰邪l(fā)一種環(huán)保，且成本低的方法來合成不使用任何有毒化學(xué)物質(zhì)的納米顆粒，NPs的生物合成作為一種綠色環(huán)保的方法，近年來備受關(guān)注。在生物方法中，NPs由微生物、酶、植物或植物提取物合成[5]。

3 AuNPs對(duì)細(xì)菌的作用機(jī)制

3.1 ROS作用 AuNPs對(duì)細(xì)菌細(xì)胞毒性的確切和完整機(jī)制尚待進(jìn)一步完善。通常納米毒性是通過氧化應(yīng)激（活性氧化）的激發(fā)而產(chǎn)生的。以前的研究重點(diǎn)在活性氧（reactive oxygen species，ROS），包括過氧化物、羥基自由基和過氧化氫的產(chǎn)生上。ROS被認(rèn)為是NPs抗菌機(jī)制的關(guān)鍵特征之一，如細(xì)胞壁損傷、膜透性變化、質(zhì)子動(dòng)力變化引起的NPs離子穿透等[6]。此外，ROS還可以破壞對(duì)維持細(xì)菌細(xì)胞正常生理發(fā)育至關(guān)重要的蛋白質(zhì)，降低某些胞質(zhì)酶的活性。根據(jù)以往的研究，誘導(dǎo)NPs抗菌活性和ROS生成的幾個(gè)過程包括：①細(xì)胞膜干擾；②穿過細(xì)胞膜；③誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)與線粒體以及DNA的相互作用[7]。

3.2 5個(gè)作用特點(diǎn) Tillotson等[8]研究者提出，顆粒大小、功能化，以及實(shí)驗(yàn)菌株等，與AuNPs的殺菌作用機(jī)制相關(guān)。為了解釋AuNPs是如何消滅細(xì)菌的，不同研究結(jié)果展現(xiàn)了NPs的5個(gè)特點(diǎn)，這5個(gè)特點(diǎn)使它成為抗生素的可能替代品。第一，NPs容易穿透細(xì)菌細(xì)胞膜，破壞其結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞死亡[9-10]。第二，NPs的抗菌機(jī)制與抗生素類似，包括ROS介導(dǎo)的氧化應(yīng)激、細(xì)胞膜破裂、細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成抑制和細(xì)胞內(nèi)成分滲漏[11]。ROS主要包括超氧物（O2·－）、羥基自由基（·OH）、單線態(tài)氧（1O2）和過氧化氫（H2O2），NPs產(chǎn)生活性氧被認(rèn)為是其介導(dǎo)抗菌活性的主要原因。第三，各種NPs可以作為抗生素藥物載體，通過減少抗生素可能產(chǎn)生的不良反應(yīng)，有效地將抗生素管理到目標(biāo)位置[12]。第四，NPs在體內(nèi)的滯留能力遠(yuǎn)大于抗生素，這可能有利于長期的治療效果。第五，NPs可以根據(jù)其目標(biāo)和用途進(jìn)行功能化，因?yàn)樗鼈兛梢杂行У貙?duì)抗細(xì)菌細(xì)胞，而不會(huì)對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生毒性[13]。

4 AuNPs的性質(zhì)、合成和對(duì)革蘭陰性菌的作用

4.1 AuNPs粒子直徑 開發(fā)具有新靶點(diǎn)或新作用方式的抗菌藥物，以避免對(duì)目前臨床使用的藥物產(chǎn)生交叉耐藥性，是解決細(xì)菌耐藥性最有效的方法之一[14]。AuNPs技術(shù)已經(jīng)在許多研究中得到了探索，以期研發(fā)針對(duì)革蘭陰性病原體的有效藥物。作用于革蘭陰性菌的AuNPs尺寸大多在20～40 nm。據(jù)Zheng等[5]研究者在2017年的研究結(jié)果，AuNPs減小到納米團(tuán)簇大小，如直徑＜2.0 nm，也能對(duì)一些真菌和細(xì)菌菌株具有抗菌活性[15]。通過對(duì)裸磁鐵納米顆粒、D，L-蛋氨酸和牛血清白蛋白（BSA）的比較，?aln?ravi?ius 等[11]定量分析了超小型（?～1.8 nm）Au@Met NPs和Fe3O4@Au@Met NPs的抗菌效果。

4.2 AuNPs輔助合成材料 不同的研究中采用了不同的顆粒合成輔助材料，Asela等[12]合成了一種新的β環(huán)糊精-2-氨基-4-（4-氯苯基）噻唑-AuNPs，其中βCD-AT配合物可以增加（2-氨基-4-噻唑）AT的溶解度，并在溶液中形成穩(wěn)定的βCD-AT-AuNPs三元體系。在另一研究中通過還原Fe3O4表面的金屬氧化物（Met）分子，在磁鐵礦納米顆粒表面合成了超小、尺寸均勻、含零價(jià)金的AuNPs，作者?aln?ravi?ius等[11]以Fe2+和Fe3+鹽為前驅(qū)體，以蛋氨酸為穩(wěn)定劑，采用水熱法合成了磁鐵礦NPs，以控制NPs生成的均勻性。

4.3 研究AuNPs作用時(shí)常用的革蘭陰性菌 AuNPs作用效果研究中常用的革蘭陰性細(xì)菌包括大腸埃希菌（MTCC 443、MTCC 4296、ATCC 25922、ATCC 25922）[10-11]、銅綠假單胞菌（MTCC 424、ATCC 27853、PTCC 1707）[10-11]、肺炎克雷伯菌（ATCC 700603）[12]、鮑曼不動(dòng)桿菌（ATCC BAA-747）[11]、沙門菌（GTCBTL，B-25）[11]。大腸埃希菌是研究最多的細(xì)菌，可能是由于其在體內(nèi)相對(duì)于其他細(xì)菌普遍存在。

4.4 AuNPs對(duì)革蘭陰性菌作用效果 有研究結(jié)果顯示，AuNPs可以作為有效的生長抑制劑對(duì)抗革蘭陰性試驗(yàn)菌。AuNPs對(duì)革蘭陰性試驗(yàn)菌有明顯的抗菌活性作用，革蘭陰性試驗(yàn)菌對(duì)合成的AuNPs濃度的敏感性在醫(yī)學(xué)和制藥領(lǐng)域有很大的差異（P＜0.01），革蘭陰性試驗(yàn)菌在表面有一價(jià)金離子金屬封端的AuNPs作用下，生長明顯被抑制[11]。AuNPs在納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很強(qiáng)的潛力，研究表明具有相同的粒徑分布的金膠體溶液，在生物學(xué)上非常適合用于醫(yī)藥領(lǐng)域[10]，生物源性的AuNPs可能在開發(fā)新的抗菌劑方面具有治療潛力。植物化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定的AuNPs是一種安全有效的抗菌藥物來源，新合成的β環(huán)糊精-2-氨基-4-（4-氯苯基）噻唑金納米粒[β cyclodextrin-2-amino-4-（4-chlorophenyl）thiazole，βCD-AT-AuNPs]，將2-氨基-4-（4-氯苯基）噻唑[2-amino-4-（4-chlorophenyl）thiazole，AT]在實(shí)驗(yàn)介質(zhì)中的溶解度提高了16倍，在所有被評(píng)價(jià)的細(xì)菌中均獲得1024 μg/mL的抗菌活性，βCD-AT-AuNPs三元體系的尺寸適合于潛在的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[12]。

5 結(jié) 論

抗生素已經(jīng)成為有效治愈威脅人類生命的感染性疾病的有效制劑。自從發(fā)現(xiàn)抗生素以來，其一直被認(rèn)為是治療各種細(xì)菌感染的主要藥物。然而，隨著抗生素使用的增多，細(xì)菌對(duì)這些藥物的耐藥性也在迅速增強(qiáng)。近年來，NPs因其良好的理化性質(zhì)而被大量研究，以解決細(xì)菌的耐藥性問題。與基于NPs的癌癥研究相比，基于NPs的抗菌活性這一領(lǐng)域相對(duì)較新。在這篇綜述中，本文對(duì)AuNPs合成方法、作用機(jī)制、不同AuNPs的合成特點(diǎn)，以及其對(duì)革蘭陰性菌的作用結(jié)果和相關(guān)結(jié)論做了系統(tǒng)的總結(jié)和分析。

本研究發(fā)現(xiàn)，AuNPs對(duì)革蘭陰性菌有良好抗菌活性作用，其濃度與作用效果相關(guān)；顆粒的大小、功能化特性、輔助材料和實(shí)驗(yàn)菌株等是AuNPs抗菌機(jī)制的相關(guān)因素；顆粒的特性和穩(wěn)定性與AuNPs的抗菌活性相關(guān)；生物源性穩(wěn)定的AuNPs是一種安全有效的抗菌藥物來源；復(fù)合體AuNPs材料可以有效提高抗菌藥物的作用效果。具有無毒、功能化能力強(qiáng)、多價(jià)效應(yīng)、易檢測(cè)、光熱活性高等優(yōu)點(diǎn)的AuNPs，在抗菌藥物的研發(fā)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

現(xiàn)階段有關(guān)AuNPs抗菌活性的臨床研究很少，研究主要是體外試驗(yàn)。因此，成功地將納米材料轉(zhuǎn)化為治療多重耐藥（multi-drug resistant，MDR）細(xì)菌臨床應(yīng)用的體內(nèi)研究，包括動(dòng)物體內(nèi)試驗(yàn)等，需要進(jìn)一步深入。另外，在應(yīng)用AuNPs之前，其對(duì)環(huán)境、人體和其他生物的毒性也應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的研究和評(píng)估。