抗菌納米材料及納米藥物研究進展

鄒昕殊，王婷婷，鄭思迪，邢 晨，劉艷艷，李艷華，張志云 (東北農(nóng)業(yè)大學 動物醫(yī)學學院，黑龍江 哈爾濱 150036)

細菌感染是危害畜禽健康的主要問題之一，嚴重影響?zhàn)B殖業(yè)的發(fā)展?？股厥桥R床細菌感染相關疾病治療的主要手段[1]，然而由于抗生素在畜牧業(yè)的大量使用，細菌通過產(chǎn)生滅活酶[2]、改變細胞膜通透性[3]、藥物主動外排[4]及形成生物被膜[5]等多種途徑產(chǎn)生耐藥性，并促使耐藥基因轉移傳播，使得耐藥菌發(fā)生率急劇增加，給臨床細菌感染相關疾病的治療帶來極大挑戰(zhàn)。尤其是近年來，新型抗生素的研發(fā)速度已遠遠趕不上耐藥菌株產(chǎn)生的速度，因此開發(fā)新型抗菌藥物和抗菌治療策略迫在眉睫。

近年來，納米材料在解決細菌感染治療方面表現(xiàn)出巨大的應用潛力。將材料加工到納米尺度后，比表面積增加，理化性能會發(fā)生極大程度的改變，賦予材料特殊的生物活性[6]。根據(jù)納米材料在抗菌過程中所起的作用，可以分為兩類：一類是納米抗菌材料，材料本身具有殺菌或抑菌性質，無需外加抗菌藥物便能發(fā)揮較好的抗菌作用；另一類是以納米載藥體系為基礎的納米抗菌藥物，如脂質體、膠束、納米粒等。以納米材料作為抗菌藥物的載體，通過增加藥物穩(wěn)定性[7]、促進藥物滲透[8]、實現(xiàn)藥物控釋和靶向作用[9]等，提高抗菌藥物使用的有效性和安全性。由于納米材料往往通過多種機制發(fā)揮抗菌作用，因而其引起細菌產(chǎn)生耐藥性的傾向較低[10]。因此，本文針對目前研究較多的金屬、碳基、陽離子和光調控型納米抗菌材料和脂質體、膠束、聚合物納米粒為載體的納米藥物展開綜述，以期為臨床細菌感染治療提供借鑒和依據(jù)。

1 納米抗菌材料

1.1 金屬納米抗菌材料多種金屬及金屬氧化物納米粒，如銀納米粒(Ag NPs)、銅納米粒(Cu NPs)、氧化鋅納米粒(ZnO NPs)等，對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌均表現(xiàn)出廣譜的抗菌活性[11]。雖然這些金屬及氧化物納米粒的抗菌作用機制尚未完全闡明，但目前認為其主要通過釋放金屬離子破壞細菌的蛋白質和DNA、產(chǎn)生活性氧(ROS)等多種途徑干擾細菌的生理過程、與細菌接觸破壞細菌細胞壁/細胞膜的完整性等機制發(fā)揮抗菌作用[12]。

1.1.1銀系納米抗菌材料 銀是應用最多的金屬抗菌材料之一，自銀系無機抗菌劑Zeomic開發(fā)以來，銀系抗菌劑得到了飛速發(fā)展[13]。作為廣譜抗菌劑，Ag NPs在較低濃度即表現(xiàn)出較好的抗菌效果，并且對多重耐藥菌有效。Ag NPs的抗菌活性與粒徑、性狀和表面性質密切相關[14]。研究發(fā)現(xiàn)，更小尺寸的銀納米簇(Ag NCs)較Ag NPs對多重耐藥菌具有更好的抗菌活性，其抑菌效果明顯優(yōu)于Ag NPs。質量濃度為6.4 mg/L的Ag NCs對耐藥銅綠假單胞菌生長的抑制率大于90%，而相同質量濃度Ag NPs的抑制率僅為62%[15]。Ag NPs易團聚，并且在制備中多使用有機溶劑，限制了其臨床應用。近年來，Ag NPs的綠色合成方法快速發(fā)展。植物原料中的黃酮和萜類活性分子不僅可以充當還原劑把銀離子還原成納米級的單質銀，也可充當穩(wěn)定劑長期的穩(wěn)定Ag NPs，并且還可以通過改變反應條件的pH值，調整Ag NPs的形狀和尺寸，進而改變其抗菌活性[16]。如姜黃提取物中的水溶性有機物可以將銀離子還原成Ag NPs，其對大腸桿菌的最小殺菌濃度(MBC)為50 mg/L[17]。另外，Ag NPs也可以作為抗菌藥物的載體，抗菌藥物也可以通過本身的羧基/氨基之間的配位鍵螯合形成Ag NPs，并且螯合物很容易釋放銀離子與抗生素，兩者起到協(xié)同抗菌作用。YANG等[18]建立了可同時檢測和滅活病原菌的電化學平臺，其基于萬古霉素對革蘭陽性菌的特異識別，該平臺不僅對金黃色葡萄球菌具有較高的檢測靈敏度，并且可實現(xiàn)萬古霉素和Ag NPs的協(xié)同殺菌作用。

1.1.2鋅系納米抗菌材料 一般認為，納米ZnO可以依靠多種機制抗菌，因此不易產(chǎn)生耐藥性，其抗菌效果與其尺寸、形貌、表面電荷等性質密切相關[19]。已有研究發(fā)現(xiàn)納米ZnO可以靜電吸附到帶負電的細菌細胞膜表面，破壞膜的正常結構從而使其失活達到殺菌目的，同時ZnO NPs還會破壞細菌細胞膜的功能，干擾附著在細胞壁上的電子傳遞鏈，導致ROS的產(chǎn)生[20]。CAI等[21]合成了不同花狀結構的納米ZnO，其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出較好的抗菌作用。納米ZnO作用后，細菌結構發(fā)生破壞，細胞膜通透性顯著增加，導致細胞內容物泄露達到殺菌的效果，并且其抗菌效果具有明顯的形態(tài)依賴性：花瓣花>梭形花>棒狀花。近年來新型綠色生物合成法的發(fā)展，賦予了納米粒更多的形態(tài)選擇性，而且增加了納米粒的穩(wěn)定性和安全性。如BHARATHI等[22]利用植物類黃酮蘆丁制備了直徑為20～150 nm的殼聚糖修飾的ZnO NPs即CS-ZnO，該納米粒對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有顯著的效果，抑菌圈分別為(22.5±0.5) mm和(25.5±0.5) mm，而蘆丁對照組對上述2種病原菌無抑菌作用。

1.1.3銅系納米抗菌材料 Cu NPs對多重耐藥金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌具有較好的抑制作用[23]。納米銅的抗菌機制同其他納米金屬材料相似，Cu和CuO納米顆粒進入細菌后可誘導ROS的產(chǎn)生，增加細菌膜的通透性，并且可以促進抗生素耐藥基因(ARGs)的水平轉移[24]。ZHANG等[25]通過全基因組的蛋白質和RNA序列分析證明了這一觀點。當細菌暴露于CuO納米粒和Cu2+環(huán)境下時，與氧化應激、膜通透性和菌毛生成有關基因的蛋白表達水平顯著上調。進一步對納米銅進行表面修飾，可實現(xiàn)與其他治療方式的聯(lián)合治療。如NAIN等[26]合成了修飾牛血清蛋白和光敏劑的銅納米團簇，不僅降低了納米銅的毒性，而且通過與光動力療法的聯(lián)合治療，對多重耐藥金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度(MIC)降低至原來的 1/10左右。

1.2 碳基納米抗菌材料自2010年報道氧化石墨烯(GO)納米片對大腸桿菌的抗菌活性以來，基于石墨烯的碳納米材料在抗菌領域得到了廣泛關注[27]。GO是石墨經(jīng)氧化后剝離出的石墨烯，因強氧化劑的氧化作用而引入多種含氧基團，使GO能夠更好地分散于水或其他有機溶劑中，是目前研究的熱點[28]。如AUNKOR等[29]采用紙片擴散法證實GO對臨床分離耐藥大腸桿菌、肺炎克雷伯菌、金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌等的抑菌效果優(yōu)于市售抗生素慶大霉素和環(huán)丙沙星等。這是因為GO納米片的鋒利邊緣可充當“納米刀”切割細菌細胞膜，使胞內物質泄漏，最終導致細菌死亡[30]。將GO與無機納米材料、小分子或聚合物進行復合，對GO進行功能化，可進一步提高抗菌效果。楊勇等[31]采用激光誘導法合成了高純度的硫摻雜激光誘導石墨烯(SLIG)，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為78%和81%，抗菌效果優(yōu)于石墨烯。但是石墨烯基抗菌納米材料本身具有一定的細胞毒性[32]，其體內應用受到一定程度的限制。

碳量子點(CQDs)，是最新的碳基納米材料，毒性較低。與傳統(tǒng)石墨烯類納米材料不同，碳量子點屬于零維納米材料，尺寸極小(<10 nm)，同時在制備過程中易實現(xiàn)與其他元素(氮、硫等)的摻雜，賦予其獨特的抗菌特性[33]。LI等[34]通過直接煅燒硫酸慶大霉素制得了一系列CQDs，同硫酸慶大霉素相比具有更高的抗菌活性且不易產(chǎn)生耐藥性，并且煅燒溫度為180℃時所制備的CQD180能夠抑制金黃色葡萄球菌生物被膜的形成，對已形成的生物被膜亦具有清除作用。

1.3 陽離子納米抗菌材料陽離子聚合物是指結構中含有陽離子基團的聚合物材料的統(tǒng)稱，主要包括陽離子表面活性劑、天然和合成的高分子、脂質等。一般認為，陽離子結構可以與細菌電負性的細胞膜靜電吸引，進一步與細菌細胞膜中的蛋白質和類脂膜結合，導致細菌細胞膜破裂死亡[35]。殼聚糖是一種天然的具有特殊結構和性質的陽離子聚合物，具有廣譜的抗菌活性，在自然界中含量豐富[36]。季銨化的殼聚糖納米粒不僅可以提高殼聚糖的水溶性，也促進了其抗菌活性的提高[37]。CHEN等[38]合成了含有季銨化甲基咪唑基團的陽離子聚合物，帶正電荷的聚合物可選擇性的與革蘭陽性菌和陰性菌結合，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有良好的抑菌效果。

1.4 光調控抗菌納米材料

1.4.1光動力療法 具有光動力效應的納米材料能在適當光源的照射下產(chǎn)生ROS，利用ROS對細菌的蛋白質、DNA等生物分子的破壞作用殺滅細菌[39]。光動力療法具有低侵襲性和廣譜抗菌性，不需要特定的細菌靶標，細菌不易對其產(chǎn)生耐藥性，是最有前景的細菌感染治療方式之一。然而由于外界光源的限制，光動力療法一般應用于局部細菌感染的治療。目前用于光動力治療的納米材料主要包括擔載光敏劑的納米載體和本身具有光動力效應的納米材料。將光敏劑與納米載體結合可增加光敏劑向細菌及生物被膜的滲透[40]。如WANG等[41]利用納米二氧化硅擔載光敏劑二氫卟吩(Ce6)，增加了光敏劑向MRSA生物被膜內部的滲透，在近紅外光照的作用下能有效清除MRSA生物被膜。通過修飾靶向基團，可進一步增加光敏劑在病灶部位的富集，WANG等[42]通過陰離子交換反應制備了pH響應型離子液體Ce6-IL，與引入的SiO2納米粒子共同構成SiO2-PCe6-IL，在生物被膜形成的酸性環(huán)境中，Ce6被質子化釋放并富集于生物被膜內部，在近紅外光照射下產(chǎn)生ROS進而殺滅MRSA。本身具有光動力的納米材料既具有光敏劑的光學特性，又結合了納米材料本身的優(yōu)勢，不需封裝在載體內即可通過光動力療法達到殺菌目的。 NIE等[43]采用一鍋法合成了光敏劑CQDs，CQDs光照后與氧能量傳遞生成1O2，使大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌的細胞膜出現(xiàn)一定程度的穿孔與破碎，細菌被1O2滅活。

1.4.2光熱療法 光熱療法是指具有光熱轉換效果的納米材料在光照下產(chǎn)生局部高熱使細菌蛋白質變性，導致細菌死亡的方法[44]。目前，用于光熱抗菌的納米材料主要包括貴金屬納米材料[45]、碳納米材料[46]、過渡金屬納米材料[47]和有機染料納米材料等[48]。這些材料在近紅外光(650～950 nm)區(qū)具有較高的光熱轉換效率，可以達到較好的治療效果。QING等[44]通過納米沉淀法，利用月桂酸和硬脂酸制備了溫度響應型納米結構(TRN)，在近紅外光照射下，含有光敏劑的IR780@TRN對耐藥大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有明顯殺滅作用，使其細菌菌落減少40%～50%。通過將羧酸甜菜堿基團修飾的聚甲基丙烯酸酯連接在金納米棒表面，QIAO等[49]制備了pH響應性電荷反轉的金納米棒光敏劑復合體，其可穿透并清除生物被膜，提高了耐藥菌的殺滅率，可用于治療耐藥菌引發(fā)的細菌感染。

2 抗菌納米藥物

2.1 納米粒固體脂質納米粒(SLN)是由天然或合成的高熔點脂質作為骨架材料制備的新型納米傳輸體系。SLN具有較好的滲透能力，相對于小分子抗菌藥物更易滲透進入細菌膜和生物被膜，從而具有較強的抗菌效果。如 KHATAK等[50]制備了分別擔載利福平及吡嗪酰胺的SLN，當納米粒的粒徑小于100 nm時，其對海洋分枝桿菌的抑制效果可達到商業(yè)產(chǎn)品的2倍以上。KALHAPURE等[51]針對細菌感染部位酸性微環(huán)境，開發(fā)了萬古霉素輸送的pH敏感的SLN用于MRSA的治療，體內研究表明該體系治療后感染部位的MRSA殘留量降低至原來的1/22，并可有效減少炎癥過程[51]。聚合物納米顆粒的尺寸、表面形貌和電荷均可調節(jié)，可以增強對細菌膜和生物被膜的滲透作用。LI等[52]用生物相容性好的表面活性劑F-127、單寧酸(TA)和雙胍基聚二甲雙胍(PMET)合成了納米粒FTP NPs，低濃度的納米粒對生物被膜內細菌的殺滅能力是PMET的100倍，可顯著提升藥物對被膜內細菌的殺菌效果。另有研究發(fā)現(xiàn)，利用殼聚糖納米粒(CS NPs)、磷脂酰膽堿和慶大霉素合成的納米給藥系統(tǒng)(GPC NPs)，可以滲透到生物被膜中，破壞并清除生物被膜，同時該納米粒易被巨噬細胞吞噬進一步促進了細菌的殺滅作用[53]。載藥納米粒子還可通過抑制細菌主動外排系統(tǒng)[54]、抑制耐藥質粒[55]、破壞細菌膜[56]等多種抗菌機制增強藥物對細菌的抗菌效果。

2.2 脂質體脂質體是脂質雙層膜形成的封閉囊泡，由于其特殊結構，可同時擔載脂溶性及水溶性藥物[57]。其中，兩性霉素B載藥脂質體已被批準商業(yè)化生產(chǎn)，用于真菌感染的治療[58]。作為藥物的重要載體，脂質體在提高抗菌藥物的藥效方面具有巨大潛力，如哌拉西林脂質體對銅綠假單胞菌的MIC值僅是游離的哌拉西林的1/2，并可克服細菌對哌拉西林的耐藥性[59]。盡管脂質體的抗菌研究取得了一些進展，但僅以磷脂和膽固醇為材料制備的傳統(tǒng)的脂質體易發(fā)生融合，導致藥物泄露。在脂質體表面引入惰性聚合物分子，如聚乙二醇等，可以極大程度減少脂質體的融合[60]，增加脂質體的穩(wěn)定性[61]，CHEN等[62]發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)脂質體膜材料膽固醇和大豆卵磷脂中引入聚乙二醇-膽固醇琥珀酸單酯后，脂質體可在90 d內保持良好的穩(wěn)定性。

另外，通過進一步改變脂質體的電荷、引入靶向基團等，可增加藥物在靶向部位的蓄積，提高載藥脂質體的抑菌效果[63]。為實現(xiàn)協(xié)同治療，提高脂質體的抗菌效率，結合了光熱療法和傳統(tǒng)藥物療法的熱敏脂質體應運而生。在被MRSA感染致皮膚膿腫小鼠模型的感染部位局部注射同時裝載黑磷量子點(BPQDs)和抗生素萬古霉素的脂質體，近紅外光(NIR)照射后創(chuàng)面明顯小于對照組[64]。

2.3 膠束聚合物膠束是利用兩親性二嵌段(或多嵌段)共聚物親疏水性的差異，在水溶液中自組裝形成的親水基向外、疏水基向內的球狀膠體。聚合物納米膠束作為藥物載體可以極大程度改善疏水性藥物的生物利用度，實現(xiàn)藥物的體內長循環(huán)同時減少毒副作用，使其作為新型納米給藥方式，越來越受到生物醫(yī)學界的關注[65]。為了實現(xiàn)藥物在感染部位選擇性釋放， MAKHATHINI等[66]將油酸基樹枝狀脂質兩性物質自組裝成膠束并擔載萬古霉素，該膠束可實現(xiàn)藥物緩釋且兼具pH響應性，其在低pH環(huán)境下(pH=6.0)對MRSA的MIC值僅為萬古霉素的1/8，同時在給藥72 h內載藥膠束仍有較好的抗菌效果，而單獨給藥萬古霉素時藥物則在24 h 內失效，減少了藥物的使用頻率，從而減少細菌耐藥性的產(chǎn)生。為了增強載藥膠束對生物被膜的清除作用，LIU等[67]制備了親水性聚乙二醇和pH響應型聚(β-氨基酯)組成的納米膠束載藥三氯生。該納米載藥膠束可以在酸性條件下靶向生物被膜中帶負電荷的細菌表面，實現(xiàn)藥物在生物被膜的積累與滲透，并且細菌感染部位高濃度的脂肪酶環(huán)境還可降解膠束后釋放三氯生進一步發(fā)揮其抗菌作用。

3 結語

抗生素在畜牧業(yè)中的大量使用導致細菌耐藥性問題日益嚴重，嚴重危害人類和動物的健康和安全，尤其在當今“減抗”“替抗”的大方針下，尋找治療耐藥菌感染的新療法勢在必行。應用納米技術解決細菌感染問題是近幾年生物醫(yī)學領域研究的重點方向。我們可以利用納米材料抗菌優(yōu)勢，針對不同治療方法制定合理給藥方案，減少抗菌藥物濫用，從而保障畜牧業(yè)的健康發(fā)展。