銀納米粒子的抗菌活性研究進(jìn)展

劉 靜，薛 嵐，郭曉媛，王春章，李明雪

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 河南 開(kāi)封 475004)

廣譜抗生素的長(zhǎng)期大量使用使許多細(xì)菌多藥耐藥病原體增加，導(dǎo)致最常見(jiàn)的細(xì)菌性疾病的發(fā)病率和死亡率明顯上升[1].對(duì)于近來(lái)由于抗生素使用不當(dāng)而產(chǎn)生的耐藥基因，嘗試減少對(duì)相應(yīng)抗生素的使用量成為當(dāng)務(wù)之急.細(xì)菌多藥耐藥性的產(chǎn)生包括將抗生素從細(xì)胞中去除、修改抗生素靶位、改變酶活性使抗生素失活、改變代謝途徑等多種不同機(jī)制[2].細(xì)菌對(duì)于新開(kāi)發(fā)的抗生素的抗藥性的出現(xiàn)，要求當(dāng)前需要對(duì)抗菌化合物的創(chuàng)新、監(jiān)測(cè)抗生素的消耗、產(chǎn)生耐藥性的機(jī)制等做出研究.同時(shí)有必要優(yōu)化抗生素的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)，以改善治療效果同時(shí)降低毒性和產(chǎn)生耐藥性的風(fēng)險(xiǎn).銀納米粒子(Ag NPs)由于其高的比表面積、顯著的物理和化學(xué)性質(zhì)以及生物活性和安全性被廣泛用作細(xì)菌的殺菌劑[3-4].它們不僅對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌、病毒和真菌有效，而且與許多其他抗菌物質(zhì)相比，誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生耐藥性的傾向較低，這使得其成為解決細(xì)菌對(duì)抗生素產(chǎn)生耐藥性問(wèn)題的新途徑[5].研究表明，將Ag NPs與抗生素有效結(jié)合制備非傳統(tǒng)的抗菌劑，對(duì)于克服幾種病原微生物對(duì)大多數(shù)常用抗生素產(chǎn)生的耐藥性非常重要.二者的有效結(jié)合將產(chǎn)生協(xié)同抗菌作用，在抗生素治療效果不佳時(shí)，Ag NPs可作為高效的傳輸系統(tǒng)，使抗生素和Ag NPs共同作用表現(xiàn)出良好的抗菌效果[6].Ag NPs作為殺菌劑已經(jīng)有幾百年的歷史，但其詳細(xì)的作用機(jī)制仍然未知，是當(dāng)下一項(xiàng)需要深入研究的重要課題.美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)報(bào)告：全世界約80%的細(xì)菌感染是以形成生物膜的形式，其中大多數(shù)細(xì)菌產(chǎn)生生物膜后使可用的抗生素和抗菌產(chǎn)品/消毒劑的藥效降低或無(wú)效.Ag NPs具有的抗生物膜形成的活性似乎為解決此問(wèn)題提供了新思路[7].

1 銀納米顆粒的抗菌活性

1.1 納米銀的抗菌活性

眾所周知，納米科學(xué)和納米工程的快速進(jìn)步為納米醫(yī)學(xué)開(kāi)辟了新領(lǐng)域.Ag NPs因其顯著的抗菌活性在科學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注.由于對(duì)哺乳動(dòng)物的低細(xì)胞毒性和強(qiáng)大的生物活性，它被用作革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌、革蘭氏陰性細(xì)菌、真菌和病毒的有效抗菌劑[5].近年來(lái)，越來(lái)越多研究報(bào)道Ag NPs對(duì)于生產(chǎn)一類新型的抗菌劑具有廣闊的應(yīng)用前景，將Ag NPs與傳統(tǒng)抗生素聯(lián)合使用時(shí)會(huì)表現(xiàn)出比單獨(dú)使用更優(yōu)秀的醫(yī)學(xué)效果，因此二者的結(jié)合被認(rèn)為是抗生素的可行替代品，在解決細(xì)菌多藥耐藥性的問(wèn)題上有著廣闊的發(fā)展空間[8].目前已知Ag NPs的高效抗菌作用，但尚未充分闡明其作用機(jī)理.實(shí)際上，殺菌效果似乎與納米顆粒與微生物相互作用的多方面因素有關(guān).Ag NPs能夠與各種細(xì)菌的細(xì)胞表面發(fā)生相互作用并能影響生物膜的生長(zhǎng)和成熟.大量研究表明，Ag NPs可以錨定在細(xì)菌的細(xì)胞壁，破壞細(xì)胞膜，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使細(xì)菌膜的滲透性增加，內(nèi)容物泄露從而使細(xì)菌死亡.另外，納米顆粒的大小[9]、濃度[8]均可影響Ag NPs的殺菌作用效果.

1.2 影響Ag NPs抗菌活性的因素

1.2.1 Ag NPs的尺寸和電位

在多項(xiàng)研究中表明，Ag NPs的抗菌活性強(qiáng)烈依賴于其顆粒的大小[9-10].隨著Ag NPs的尺寸從塊狀到納米級(jí)的減小，其抗菌性能隨之增強(qiáng).這可能與金屬銀以納米粒子的形式發(fā)揮抗菌作用時(shí)增大的比表面積和增多的表面原子數(shù)目有關(guān).觀察到當(dāng)納米尺寸從83 nm減小到59 nm時(shí)對(duì)臨床重要的革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌的抗菌活性提高了近38%～50%[11].當(dāng)Ag NPs的尺寸為(10±5) nm左右時(shí)，對(duì)需鈉弧菌的MIC(最低抑菌濃度)和MBC(最低殺菌濃度)分別為1.0 mg/L和l.1 mg/L[12].總之，當(dāng)Ag NPs在更小粒徑的情況下，具有更強(qiáng)的殺菌性.另外，Ag NPs在正電位的情況下，與膜的相互作用效果以及使細(xì)胞死亡的損傷更加明顯.原因是當(dāng)具有正ζ電位的納米粒子遇到大多數(shù)表面帶有負(fù)電荷的微生物細(xì)胞膜時(shí)，二者之間會(huì)產(chǎn)生靜電力[13]，從而促進(jìn)兩個(gè)實(shí)體之間的緊密吸引和黏附作用，使Ag NPs盡可能多地穿透細(xì)菌細(xì)胞膜，使細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)容物泄露，導(dǎo)致一些基本的細(xì)胞功能受到損害，使帶正電荷的Ag NPs比帶負(fù)電荷的Ag NPs具有更強(qiáng)的抗菌活性[14].因此，控制ζ電位與納米顆粒的尺寸可以更有效地增強(qiáng)納米粒子的抗菌活性.

1.2.2 Ag NPs的濃度

殺菌效果與Ag NPs濃度之間有著直接的關(guān)系.Ag NPs是對(duì)抗大腸桿菌、傷寒沙門氏菌、霍亂弧菌和金黃色葡萄球菌的有效抗菌劑[15-17].JAIN等發(fā)現(xiàn)：尺寸范圍為7～20 nm的球形微粒Ag NPs，即使在非常低的濃度下對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌也有著很強(qiáng)的抗菌活性[18].Ag NPs的有效抗菌濃度存在最低值和最高值，當(dāng)單位面積細(xì)胞壁上粘附的Ag NPs數(shù)量達(dá)到最低要求時(shí)，可以抑制或者有效降低病原體的活動(dòng)，若低于最小抗菌濃度則無(wú)法達(dá)到良好的抑菌效果；當(dāng)單位面積細(xì)胞壁吸附的Ag NPs達(dá)到一定濃度時(shí)，抗菌效果最強(qiáng).因此在使用Ag NPs抗菌劑時(shí)，需要控制Ag NPs在一個(gè)適宜的濃度值，從而達(dá)到最佳的抗菌效果.

1.2.3 Ag NPs的形狀

越來(lái)越多的科學(xué)證據(jù)表明，Ag NPs的活性不僅取決于其粒徑的大小和濃度，還取決于形狀[10].在這方面，似乎三角形納米顆粒對(duì)大腸桿菌作用效果更加顯著，可在低濃度下對(duì)病原體有效抑制.PAL[19]等研究了球形、棒狀和三角形三類不同形狀的Ag NPs，評(píng)估它們?cè)谌芤汉铜傊迳蠈?duì)大腸桿菌的抗菌效果.結(jié)果證實(shí)三種不同形狀的Ag NPs都具有一定的抗菌活性，但三角形的納米顆粒具有最高的抗菌活性，其次是球形和棒狀.原因可能是三角形的幾何形狀會(huì)增大納米粒子的比表面積，有利于Ag NPs與細(xì)菌表面的相互作用，增強(qiáng)表面結(jié)合的概率從而確保更好的抗菌活性.同時(shí)在另外一項(xiàng)研究中，合成了平均尺寸為40 nm的球形、三角形和六角形的Ag NPs，對(duì)革蘭氏陰性大腸桿菌的抗菌作用進(jìn)行定性評(píng)價(jià).結(jié)果表明在采用抑菌圈法和生長(zhǎng)曲線法下均證實(shí)六角形的Ag NPs抗菌效果最好，殺菌作用甚至強(qiáng)于氨芐西林[20].YOUSAF[21]等最近也對(duì)形狀與抗菌活性的相關(guān)性進(jìn)行了研究，他們分別由水、乙醇和甲醇萃取物合成平均直徑為20.77、18.53和14.27 nm的具有球形、矩形和立方體形狀的Ag NPs.實(shí)驗(yàn)中所有產(chǎn)物均穩(wěn)定且已被純化，結(jié)果表明球形的Ag NPs 有更強(qiáng)的抗菌效果.總之，越來(lái)越多的文獻(xiàn)證明了Ag NPs的形貌可以在很大程度上影響最終的抗菌活性.

2 銀納米粒子的抗菌機(jī)制

眾所周知，Ag NPs可以破壞多個(gè)耐藥菌株，具有強(qiáng)大的殺菌潛力.針對(duì)Ag NPs的殺菌機(jī)制已有廣泛的研究，但其確切作用仍未詳細(xì)闡明.在目前的研究中已有兩種機(jī)制被廣泛認(rèn)可，即接觸殺滅作用和離子介導(dǎo)的殺滅作用.

2.1 直接接觸微生物的抗菌機(jī)制

Ag NPs具有比散裝銀更出色的理化和生物學(xué)特性.據(jù)報(bào)道，細(xì)胞表面不光滑，Ag NPs可以錨定在細(xì)菌細(xì)胞壁上，并因此而滲入細(xì)菌壁.以大腸桿菌為例，其外膜結(jié)構(gòu)主要是由脂多糖(LPS)分子構(gòu)成，膜的通透性的改變是由LPS分子和膜蛋白的逐漸釋放引起的.這種作用將引起細(xì)菌膜的物理變化，改變其通透性，使得細(xì)菌無(wú)法適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)質(zhì)膜的運(yùn)輸，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物泄漏和細(xì)菌死亡[22].有證據(jù)證實(shí)了Ag NPs對(duì)革蘭氏陰性細(xì)菌的抗菌作用強(qiáng)于革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌[23].這是由于表面有一層較厚的肽聚糖(20～80 nm)的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌對(duì)Ag NPs的抗性強(qiáng)于表面是一層較薄的LPS的革蘭氏陰性細(xì)菌，厚度存在差異可以防止AgNPs的滲入，導(dǎo)致他們對(duì)Ag NPs敏感程度不同[9].已經(jīng)證明細(xì)菌的細(xì)胞膜由于存在羧基、磷酸基和氨基等基團(tuán)而具有負(fù)電荷.帶有正電荷的Ag NPs和帶負(fù)電荷的微生物細(xì)胞膜之間存在靜電吸引，從而促進(jìn)Ag NPs附著在細(xì)胞膜上.因此，可以通過(guò)改變Ag NPs的表面電荷以獲得更強(qiáng)的吸引力來(lái)增強(qiáng)抗菌效果[14].硫和磷在細(xì)胞膜上大量存在，銀對(duì)硫或磷的高反應(yīng)活性是其抗菌性能的關(guān)鍵因素之一[11].例如當(dāng)Ag NPs滲透到微生物細(xì)胞內(nèi)部時(shí)，它能與蛋白質(zhì)反應(yīng)即與巰基快速結(jié)合，改變蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致多種酶活性的降低或喪失，從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡[24].總的來(lái)說(shuō)，納米粒子與細(xì)菌的結(jié)合取決于相互作用的有效表面積.越小的納米粒子與細(xì)菌細(xì)胞接觸的表面積越大，并且與較大的納米粒子相比可以更容易的滲透細(xì)胞壁到達(dá)細(xì)胞質(zhì)，殺菌效果就越強(qiáng)[13].附著在細(xì)胞膜上的Ag NPs與細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生物分子(例如蛋白質(zhì)、RNA、DNA、多肽)之間的相互作用將導(dǎo)致DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄受到破壞、糖代謝的阻斷等一系列阻礙細(xì)胞分裂和繁殖的過(guò)程，最終導(dǎo)致細(xì)胞壞死和死亡[25].此外，Ag NPs的另一重要的毒性機(jī)制是氧化應(yīng)激的增加，這與高水平的活性氧(ROS)和自由基(如過(guò)氧化氫、超氧陰離子、羥基、次氯酸和單線態(tài)氧)等的產(chǎn)生有關(guān)[26].這些本是呼吸過(guò)程的自然副產(chǎn)物，在正常情況下，細(xì)胞可通過(guò)還原型谷胱甘肽(GSH)等抗氧化劑使細(xì)胞免受氧化應(yīng)激，將ROS保持在一個(gè)較低的水平.然而，納米顆粒表面可以作為ROS形成的催化表面，破壞系統(tǒng)的消除機(jī)制，從而增加活性氧和自由基的濃度[27].另外Ag NPs可以下調(diào)超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶等抗氧化酶的表達(dá)，通過(guò)系列反應(yīng)導(dǎo)致ROS含量升高，進(jìn)而產(chǎn)生凋亡反應(yīng)、脂質(zhì)過(guò)氧化、GSH耗竭和DNA損傷[28].同時(shí)，Ag NPs可能會(huì)突破肽聚糖和胞質(zhì)外膜的屏障，破壞呼吸鏈脫氫酶，抑制細(xì)胞呼吸[29].

2.2 銀離子釋放介導(dǎo)的抗菌機(jī)制

有一些證據(jù)表明，Ag NPs溶解后釋放的銀離子(Ag+)是抗菌活性的主要貢獻(xiàn)者.Ag NPs經(jīng)氧化可以持續(xù)釋放Ag+進(jìn)入細(xì)菌.NAGY等將Ag NPs嵌入沸石膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在兩小時(shí)內(nèi)當(dāng)Ag+濃度為0.05 mg/L時(shí)大腸桿菌的生存能力被完全降低.重復(fù)使用后，膜的效率下降，隨著Ag+的釋放量減少，殺菌作用也明顯減弱.因此可推測(cè)出Ag NPs在抗菌過(guò)程中的抗菌活性與Ag+的環(huán)境濃度成正比[28].Ag+的抗菌作用與細(xì)菌內(nèi)膜的反應(yīng)密切相關(guān).例如，Ag+在釋放的30 min內(nèi)進(jìn)入細(xì)胞，與細(xì)胞質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸結(jié)合形成穩(wěn)定的鍵，導(dǎo)致物質(zhì)失活.通過(guò)透射電鏡圖像(圖1)，可觀察到明顯的細(xì)胞溶解和細(xì)胞質(zhì)滲漏[30].Ag+與酶及結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白(這些蛋白質(zhì)參與跨膜ATP的產(chǎn)生并介導(dǎo)跨細(xì)胞膜的離子轉(zhuǎn)運(yùn)[31])尤其是與半胱氨酸的巰基相互作用[32].已證實(shí)了微摩爾級(jí)的Ag+可以限制呼吸鏈脫氫酶或阻礙呼吸，以及限制膜對(duì)質(zhì)子和磷酸鹽的滲透性[28].

Ag+作為重金屬離子可引起微生物細(xì)胞氧化應(yīng)激的增加，這是另一種抗菌機(jī)制[32].有一項(xiàng)研究制備不同配體包括檸檬酸、巰基丙酸、巰基乙酸和巰基丙磺酸包覆的大小約10 nm的Ag NPs，并以大腸桿菌為模型研究了其抗菌機(jī)理.發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)Ag NPs釋放的Ag+與膜上的呼吸鏈蛋白相互作用，中斷細(xì)胞內(nèi)O2的還原，誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡[33].

圖1 金黃色葡萄球菌和大腸桿菌內(nèi)部形態(tài)(A)和(B)通過(guò)TEM觀察(a，b)是未經(jīng)處理的細(xì)菌、 (c，d)是在Ag+(0.2 mg/L)處理2 h.黑色和白色箭頭分別表示肽聚糖和胞質(zhì)膜(A)，外膜、肽聚糖和胞質(zhì)膜(B).箭頭表示細(xì)胞膜與細(xì)胞壁分離Fig.1 Internal morphology of S. aureus and E. coli (A) and (B) was observed by TEM (A, B) as untreated bacteria, (c,d) is treated at Ag+ (0.2 mg/L) for 2 h. The black and white arrows represent the peptidoglycan and cytoplasmic membrane (A), and the outer membrane, peptidoglycan and cytoplasmic membrane (B), respectively. The arrow represents the separation of the cell membrane from the cell wall

盡管Ag NPs可以通過(guò)上述兩種不同的作用方式殺死細(xì)菌，但抗菌機(jī)制通常被認(rèn)為是Ag NPs和Ag+產(chǎn)生的協(xié)同作用.已有證據(jù)通過(guò)比較合成的殼聚糖/銀納米和殼聚糖/Ag+的生物復(fù)合材料對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性，與相同濃度的銀離子復(fù)合材料相比與納米粒子復(fù)合后效果更佳.抗菌活性隨著Ag NPs和Ag+離子濃度的增加而增加.因此，Ag NPs和Ag+離子(后者存在于Ag NPs表面)的協(xié)同作用促進(jìn)了抗菌活性的增強(qiáng)[33].然而對(duì)于二者具體的協(xié)同作用機(jī)制還需要進(jìn)行更深入的研究.圖2是針對(duì)目前所探討到的模擬的銀納米粒子與細(xì)菌的作用機(jī)制.

3 Ag NPs抗生物膜活性

3.1 生物膜的形成與致病性

細(xì)菌生物膜通常由自形成的胞外聚合物物質(zhì)(EPR)進(jìn)行保護(hù)，該類聚合物由(菌)表多糖，脫氧核糖核酸以及脂質(zhì)構(gòu)成.生物膜對(duì)大多數(shù)傳統(tǒng)抗生素有著極大的限制力(高達(dá)1 000倍)，它是通過(guò)胞外多糖來(lái)限制擴(kuò)散或中和抗菌藥物的途徑來(lái)減少抗生素的滲透.總之，生物膜一旦在游離活細(xì)胞形成，就會(huì)使抗生素難以與微生物作用，進(jìn)而影響抗生素的治療效率.目前，與人類感染相關(guān)的生物膜形成的細(xì)菌包括革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和革蘭氏陰性細(xì)菌[33-36].生物膜的形成被認(rèn)為是細(xì)菌從感知環(huán)境條件開(kāi)始的，環(huán)境條件的改變觸發(fā)了表面形成生物膜.這些環(huán)境信號(hào)因生物而異，包括培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)含量、溫度、滲透壓、pH、鐵和氧氣等[37].生物膜形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，可以分為以下階段：1)可逆附著相，其中細(xì)菌非特異性地附著在表面；2)不可逆附著相，涉及細(xì)菌細(xì)胞與表面之間的相互作用，使用細(xì)菌粘附素，如菌毛和脂多糖(LPS)；3)由駐留的細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生胞外聚合物物質(zhì)；4)生物膜成熟階段，即細(xì)菌細(xì)胞合成和釋放信號(hào)分子，以感知彼此的存在，從而導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)域的形成和生物膜的成熟；5)分散/分離階段.細(xì)菌細(xì)胞離開(kāi)生物膜，恢復(fù)到獨(dú)立的浮游生物生活方式[38].圖3模擬了生物膜形成的過(guò)程[38].

生物膜的致病性可以歸納為以下特性：微生物在生物膜中高密度地附著在固體表面上，通過(guò)分泌EPS在生物或非生物表面形成異質(zhì)實(shí)體，對(duì)膜內(nèi)細(xì)菌提供了一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境.生物膜中細(xì)胞的基因型和表型特征與自由漂浮的細(xì)胞不同，這些差異使它們對(duì)抗生素有很強(qiáng)的抵抗力.生物膜保護(hù)單個(gè)細(xì)胞免受不利因素的影響，如免疫防御系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)限制等等.從生物膜釋放的細(xì)胞可以遷移到血液中，導(dǎo)致系統(tǒng)性感染，最終使疾病死亡率升高.另外，生物膜的存在還可能對(duì)幾種工業(yè)過(guò)程有害，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致流體系統(tǒng)的機(jī)械堵塞、傳熱過(guò)程的干擾和金屬表面的腐蝕.因此，迫切需要開(kāi)發(fā)具有抗菌和抗生物膜形成的持久生物醫(yī)學(xué)材料或裝置[39-41].

圖2 (a)Ag NPs錨定在細(xì)菌細(xì)胞壁上，滲入細(xì)菌，使膜損傷和細(xì)胞內(nèi)含物泄漏.Ag NPs或Ag+與細(xì)胞膜中蛋白質(zhì)結(jié)合，后者參與跨膜ATP的產(chǎn)生；(b) Ag NPs滲透到細(xì)胞內(nèi)部和釋放的Ag+與細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生物分子(例如蛋白質(zhì)、酶、脂質(zhì)和DNA)相互作用使ROS增加，脂質(zhì)過(guò)氧化和DNA損傷；(c) Ag NPs可以持續(xù)釋放Ag+進(jìn)入細(xì)菌與蛋白質(zhì)和酶相互作用Fig.2 (a) Ag NPs is anchored to the bacterial cell wall and penetrates the bacteria, causing membrane damage and cell inclusion leakage.Ag NPs or Ag+ binds to proteins in the cell membrane, which is involved in the production of transmembrane ATP; (b) Ag+, which penetrates into cells and is released by Ag NPs, interacts with cell structures and biomolecules (such as proteins, enzymes, lipids and DNA) to increase ROS, lipid peroxidation and DNA damage; (c) Ag NPs can continuously release Ag+ into the bacteria and interact with proteins and enzymes

圖3 生物膜的生長(zhǎng)和擴(kuò)散主要經(jīng)歷的五個(gè)階段Fig.3 Five main phases leading to the development and dispersal of biofilm

3.2 Ag NPs抗生物膜形成活性的應(yīng)用

Ag NPs的抗生物膜形成的活性已在許多研究中得到證明[42].KALISHWARALAL等研究了生物合成的Ag NPs對(duì)銅綠假單胞菌和表皮葡萄球菌上形成的生物膜的體外活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)Ag NPs治療2 h，生物膜減少了95%和98%，表明Ag NPs能夠以快速、高效的方式防止銅綠假單胞菌和表皮葡萄球菌形成生物膜[43].另外一項(xiàng)研究與此報(bào)道結(jié)果一致，利用Ag NPs修飾的氧化石墨烯(GO)片形成的納米復(fù)合材料，證明了用1 mg/L的Ag NPs處理銅綠假單胞菌細(xì)胞時(shí)高達(dá)95%的生物膜消除，表明此復(fù)合材料可以高效地抑制微生物粘附細(xì)胞的生長(zhǎng)，從而阻止生物膜的形成，為臨床的替代療法開(kāi)辟了道路[41].目前，已經(jīng)報(bào)道了利用不同物質(zhì)合成的對(duì)抗生物膜形成有效的化合物：1)已成功將姜黃素與Ag NPs聯(lián)合制備出可有效抑制和消除生物膜的組合復(fù)合物.LOO等報(bào)道的一例平均尺寸為30 nm的組合化合物，不僅可以有效地消除已建立的成熟生物膜，抑制生物膜的形成，而且被該化合物處理過(guò)的細(xì)胞具有較強(qiáng)的綠色熒光強(qiáng)度，為觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了方便的路徑[36].2)利用植物衍生藥物成分槲皮素與Ag NPs結(jié)合，制備出具有優(yōu)異抗生物膜形成的功能復(fù)合材料.YU等報(bào)道了該化合物在濃度為1 mg/L對(duì)大腸桿菌有明顯的抑制作用，當(dāng)濃度為5 mg/L時(shí)能通過(guò)抑制生物膜形成的相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄來(lái)分解生物膜的結(jié)構(gòu)，甚至殺死生物膜中的細(xì)菌.這些數(shù)據(jù)表明該化合物與一種高效抗生素相當(dāng)，具有相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值和開(kāi)發(fā)潛力[44].3)淀粉被成功用于制備對(duì)銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌產(chǎn)生的生物膜具有破壞作用的Ag NPs；MOHANTY等[45]使用一種簡(jiǎn)單且環(huán)境友好的方法使用淀粉制備無(wú)毒Ag NPs的穩(wěn)定膠體.他們測(cè)試了不同濃度的Ag NPs對(duì)銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌形成生物膜的影響.在微摩爾濃度下，更長(zhǎng)的處理時(shí)間(48 h)將抗生物膜形成的效率提高到約65%，生物膜形成減少了88%.用Ag NPs處理比用抗菌肽(LL-37)處理的銅綠假單胞菌的生物膜形成能力減少約3倍.用Ag NPs處理銅綠假單胞菌的多藥耐藥菌株，以研究與敏感菌株相比最終增加的耐藥性.在多藥耐藥菌株中，當(dāng)濃度為20 mg/L時(shí)，Ag NPs的抑制率達(dá)67%，在105CFU/mL的最佳細(xì)菌濃度下對(duì)耐藥菌株生物膜的形成抑制率為56%.證明多藥耐藥細(xì)菌衍生的生物膜并未顯示出對(duì)銀的耐藥性，因此，Ag NPs可作為一種潛在的替代治療方法，以減少由銅綠假單胞菌感染引起的疾病的嚴(yán)重程度[46].Ag NPs也被證明通過(guò)擾動(dòng)分子間力破壞生物膜基質(zhì).在一項(xiàng)研究中，通過(guò)共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)技術(shù)分析了從感染傷口分離出的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)和耐甲氧西林表皮葡萄球菌(MRSE)形成的生物膜，經(jīng)Ag NPS處理24 h的MRSA和MRSE生物膜形成抑制率超過(guò)95%.并證明濃度低于50 mg/L的Ag NPs可獲得完全的抗生物膜形成的活性[47].Ag NPs的抗生物膜形成的活性也在其他研究中得到了證明，這些研究主要集中于對(duì)常規(guī)抗生素具有抗性的細(xì)菌[47-50].GURUNATHAN等[51]采用異葉菊葉提取物報(bào)道了一種簡(jiǎn)單、可靠、成本效益高、綠色環(huán)保的合成Ag NPs的方法.用一系列試驗(yàn)評(píng)價(jià)了抗生素或Ag NPs或二者聯(lián)合作用對(duì)銅綠假單胞菌、福氏志賀氏菌、金黃色葡萄球菌和肺炎鏈球菌的抗菌和抗生物膜活性，為Ag NPs的抗菌和抗生物膜效應(yīng)提供了依據(jù)，結(jié)果顯示出聯(lián)合應(yīng)用時(shí)氨芐西林和萬(wàn)古霉素對(duì)革蘭氏陰性或革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的效應(yīng)明顯增強(qiáng).這些數(shù)據(jù)表明，將Ag NPs與抗生素聯(lián)合可能是一種針對(duì)細(xì)菌感染性疾病的替代治療策略.目前，Ag NPs已成功地涂覆在醫(yī)療設(shè)備上，用于無(wú)感染移植[52-54].Ag NPs也被涂覆在各種織物上：納米銀的涂層不僅賦予纖維金屬特征，使紡織品導(dǎo)電，而且賦予紡織品抗菌性能[55-56].此外，經(jīng)過(guò)Ag NPs處理的傷口敷料已被廣泛用于治療燒傷[51]、開(kāi)放性傷口和慢性潰瘍的感染[57-58]，或作為避孕藥具、水消毒劑和房間噴霧劑銷售[59].總之，目前關(guān)于Ag NPs的應(yīng)用結(jié)果令人歡欣，未來(lái)有望成為一種十分有用的新型材料.

4 銀納米與抗生素的聯(lián)合

5 銀納米粒子的毒性

由于銀在實(shí)際應(yīng)用中所引發(fā)的毒性和環(huán)境安全性等問(wèn)題，評(píng)估Ag NPs的毒性成為了一項(xiàng)重要研究課題.隨著Ag NPs的普遍使用，每年有大量的銀釋放到河口或海洋水生系統(tǒng)中，這些銀納米材料進(jìn)入環(huán)境后，會(huì)對(duì)植物、水生生物和人類造成不可逆轉(zhuǎn)的危害[70-71].銀離子沉積在皮膚上會(huì)造成銀中毒，沉積區(qū)域會(huì)變成青灰色.臨床上，在皮膚、肝臟和脾臟等軟組織局部沉積銀會(huì)引起過(guò)敏反應(yīng)，對(duì)血管、胃腸道都具有一定的毒性[72].與亞微米顆粒相比，長(zhǎng)時(shí)間吸入Ag NPs，即使劑量很低，也會(huì)引起肺功能的變化以及炎癥[73].另外，LARESE等報(bào)道了在體外使用平均尺寸為25 nm的聚乙烯吡咯烷酮修飾的Ag NPs，在靜態(tài)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)中Ag NPs會(huì)滲透到被切除的人皮膚的表皮上層[74].因此，有必要考察Ag NPs對(duì)皮膚的滲透能力，更準(zhǔn)確地評(píng)估Ag NPs的毒性.目前，科研工作者正努力設(shè)計(jì)具有不同化學(xué)表面修飾的Ag NPs，尋求最大功能性與最小毒性之間的平衡，同時(shí)在體內(nèi)和體外對(duì)納米材料進(jìn)行遺傳毒性評(píng)價(jià)，將體內(nèi)結(jié)果與體外結(jié)果相結(jié)合進(jìn)而使Ag NPs在未來(lái)應(yīng)用中更好地造福于人類[75-76].

6 總結(jié)與展望

眾所周知，納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中的潛在好處已被廣泛挖掘，有望在未來(lái)醫(yī)學(xué)中成為最有希望的新手段. Ag NPs具有很強(qiáng)的抗菌和抗病毒活性，具有與各種微生物相互作用、影響細(xì)菌生物膜的生長(zhǎng)和成熟的能力，可用作廣譜抗菌劑.然而，在Ag NPs應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中會(huì)引發(fā)系列重要問(wèn)題，例如毒性和環(huán)境安全性.了解在特定無(wú)機(jī)配體存在下導(dǎo)致Ag NPs轉(zhuǎn)化的溶解動(dòng)力學(xué)對(duì)于確定其抗菌活性和對(duì)環(huán)境的總體毒性至關(guān)重要.因此還需要大量的研究來(lái)篩選進(jìn)行抗菌實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的培養(yǎng)基從而更有效地降低其對(duì)環(huán)境的毒性. Ag NPs的抗菌作用雖已被廣泛接受，但其詳細(xì)作用機(jī)理還有許多不完善的地方.如今，更準(zhǔn)確的定義Ag NPs的作用機(jī)制已成為生物醫(yī)學(xué)研究的重點(diǎn)，因此有必要對(duì)其抗菌機(jī)制、生物活性和生物相容性等進(jìn)行更深入系統(tǒng)的研究.為開(kāi)發(fā)高效、低毒、更好解決多藥耐藥問(wèn)題的新型抗菌材料提供理論指導(dǎo).