納米銀的抗菌機制及其生物安全性的研究進展

趙永彬(綜述),趙亞群(審校)

(解放軍第三〇九醫院神經外科，北京 100094)

?

納米銀的抗菌機制及其生物安全性的研究進展

趙永彬△(綜述),趙亞群※(審校)

(解放軍第三〇九醫院神經外科，北京 100094)

摘要：細菌耐藥性的增強以及科技的快速發展，使得對于新型抗菌材料的研究日益增多，尤其是對納米銀顆粒的研究。納米銀材料具有抗菌譜廣、抗菌性強以及不產生耐藥性等優點，在臨床醫學中的應用也越來越廣泛，涉及到臨床多個專科。但對于納米銀抗菌機制的研究卻相對滯后，至今仍未完全闡明。而且已有研究發現，新型納米銀材料也有一定的毒性，不恰當的或過量的使用會導致銀毒性的產生，危及身體健康。

關鍵詞：納米銀；抗菌機制；臨床應用；生物安全性

銀系抗菌材料的使用可以追溯到16世紀，中國古代醫家李時珍在《本草綱目》便指出“銀屑，安五臟，定心神，止驚悸，除邪氣，久服可輕身”。銀被廣泛用于促進傷口愈合，防止感染，凈化水質及保存食物等方面[1]。但在20世紀由于抗生素的問世，銀的抗菌研究卻被人們所忽視。近年來，隨著科技的發展及其細菌耐藥性的增加使得對銀的抗菌作用研究增多，尤其是納米銀粒子。納米銀粒子的性能歸功于其特有的納米結構性質，使其具有抗菌譜廣、抗菌性強且無耐藥性。作為最具吸引力的納米材料之一，納米銀已廣泛被應用于生物醫學，包括診斷、治療、醫療器械涂層等[2]，但其基礎性研究卻相對滯后，抗菌機制以及安全性卻并未完全闡明。現就現階段納米銀的抗菌機制、生物安全性以及在醫學中的應用加以綜述。

1納米銀的抗菌機制及抗菌作用

納米銀的抗菌機制雖未被徹底闡明，多數學者認為其抗菌性能主要與銀離子有關[3-6]。但納米銀的抗菌性能卻比銀離子更強，說明納米銀與普通銀離子在抗菌方面有著不可超越的獨特的優勢。Dibrov等[4]認為，納米銀與銀離子的區別在于其有效濃度的不同，納米銀是在納摩爾水平，而銀離子是在微摩爾水平。納米銀粒子直徑通常在1～100 nm[5]，其原子排列介于固體與分子之間，而且納米銀比表面積大，這種明顯的表面效應與小尺寸效應使得其具有特殊的化學、物理和生物功能，抗菌能力增強，較一般粒子更加容易進入病原體并將其殺死[6]，而且在穩定性、催化性、生物高利用性方面有著顯著的特異性，是一種具有長效型和高效穩定性的新型抗菌材料。

一般來說，納米銀的殺菌機制可能有如下幾點。①損傷細菌的DNA[7]，納米銀能破壞細菌DNA的結構，并能與之結合替換堿基對相鄰氮之間的氫鍵，使之復制停滯[8]。另外，納米銀粒子還可促進細菌DNA在核區的濃縮，并使DNA在體內的降解增加[9]，從而失去其復制的能力。②中斷細胞信號轉導[10]。Shrivastava等[8]發現，經過納米銀粒子作用后的細菌在細胞信號轉導時中斷，原因是磷酸酪氨酸在參與蛋白質形成時被去磷酸化。③活性氧自由基的破壞作用。納米銀會誘導產生超氧化物自由基[11]，進而導致細胞的氧化應激、細胞膜破壞。Pal等[12]發現，納米銀誘導細菌產生的活性氧與羥自由基可最終殺死細菌。④對細菌蛋白的破壞作用[8]，使脫氫酶活性喪失，特別是一些關鍵酶，對其細胞代謝產生負性影響。納米銀的小尺寸效應可以使其進入細菌并與細菌內蛋白的巰基結合，破壞一些含巰基基團的酶。經納米銀作用后，大腸埃希菌呼吸鏈中具有活性的脫氫酶比率明顯下降，且納米銀濃度越高，活性比率越低，進而造成細菌不能獲得相應能量，最終死亡。⑤與細胞壁的肽聚糖和質膜作用[13]，產生更多的包膜蛋白前體，進而損傷細胞膜，造成內容物的泄露，而且納米銀顆粒還能穿透細菌細胞壁，造成細胞膜的結構變化和增加細胞滲透率，導致細胞死亡。電鏡觀察顯示，被納米銀作用后的菌體細胞膜損傷嚴重，細胞膜上產生許多孔洞，細胞膜的通透性被破壞，使大量的糖、蛋白質以及大量新陳代謝所必需的物質從菌體內泄露，造成菌體的死亡。Shrivastava等[8]用透射電鏡仔細觀察了納米銀與細菌作用的過程：起初納米銀成簇的吸附于細胞壁上，吸附位點可能為帶負電荷的功能團，隨后納米銀進入菌體，并在細胞膜上形成孔洞。謝小保等[9]也有類似的發現，納米銀粒子在細胞壁上產生小孔并通過這些小孔導致內容物流出和細胞膜的損傷。

納米銀作為一種天然抗菌材料，抗菌譜很廣。有文獻指出，納米銀能殺死的細菌種類達650種之多，包括革蘭陽性菌、革蘭陰性菌、真菌、病毒等各種微生物[14]。Cuin等[15]通過利用銀的4種不同化合物測定了銀抗結核桿菌的最低抑菌濃度，并指出羥基羧酸銀復合體具有較強的抗結核桿菌的作用。國內也有類似的研究，通過對納米銀溶液對結核桿菌抑菌濃度的測定，指出相同作用時間下，納米銀濃度越高，抑菌率也就越高。Alexandros等[16]研究了對于牙體植入時表面涂以納米銀涂層可以有效抑制細菌生物膜的生長以減少細菌的黏附，抑菌率達到99.5%，而氯己定涂層則沒有抑菌作用。鐘金棟等[17]通過材料固體表面涂布實驗表明，在37 ℃，>5.7 μg/cm2的納米銀材料作用1 h對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌抑制率均>95%，通過載體浸泡實驗，在>100 mg/L的溶液中，納米銀材料1 h對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌抑制率均>95%。對于納米銀的抗病毒[2]作用現如今已被觀察到的抗病毒類型包括人類免疫缺陷病毒、乙型肝炎病毒、呼吸道合胞病毒、單純皰疹病毒1型以及猴痘病毒等。

2納米銀的臨床應用

迄今為止，已有很多納米銀材料應用于臨床，如納米銀抗菌凝膠、納米銀敷料、納米銀心血管支架、納米銀導管、納米銀骨水泥等，且已廣泛應用到外科、婦產科等臨床各個領域。納米銀敷料是采用納米技術，將納米銀粒子加入醫用常規敷料而獲得的一種新型抗感染敷料，廣泛應用于淺Ⅱ度、深Ⅱ度創面及殘余創面，能明顯減輕創面局部感染，愈合時間較銀離子組及空白對照組明顯縮短[18]。Niu等[19]將含有納米銀的二氧化硅復合到交聯殼聚糖上獲得新型復合材料，對大腸埃希菌及金黃色葡萄球菌具有明顯的抑制作用。錢敏[20]將120例宮頸糜爛患者隨機分組，分別為納米銀凝膠組與對照組(即傳統治療宮頸糜爛的藥物)各60例，進行了臨床對比研究，結果顯示，納米銀凝膠組和對照組患者治療痊愈率分別 75.00%和 31.67%，有效率分別為 91.67%和 40.00%，納米銀凝膠組對宮頸糜爛的治療痊愈率顯著高于對照組(P<0.05)，且未見明顯不良反應，表明納米銀凝膠能有效提高治愈率和有效率。Magalhaes等[21]研究報道在牙髓病填充材料中混入納米銀可以有效地預防鏈球菌，金黃色葡萄球菌以及腸球菌。Furno等[22]研究在骨科內固定術或人工關節置換術時，在這些置入性材料的表面涂上一層含有納米銀的血漿蛋白膜，基于納米銀的緩慢釋放作用，具有長效抑菌作用，術后感染率明顯降低。Lackner等[23]通過臨床對比試驗將行腦室外引流術的導管經納米銀涂層后與未處理的導管作為對照發現，19個接受納米銀涂層導管的患者沒有顯示出導管相關性腦室炎，并且腦脊液培養為陰性而對照組中的5例患者則顯示發生了導管相關性腦室炎。

3納米銀的生物安全性研究

生理上，銀并不屬于人體所需的微量元素，但由于各種原因使人們或多或少地能接觸到了一些微量銀離子，通過檢測可以發現人體內有質量濃度<213 μg/L銀的存在。臨床上所使用含銀的敷料或導管等也會進入人體，銀可以沉積于人體各個部位，包括皮膚、大腦、肝、腎、胃、肺[24]，而且納米銀可透過胎盤屏障傳給后代[25]。Shinji等[26]通過動物實驗證明，納米銀粒子通過呼吸道進入肺部以后能在動物體內其他系統如循環、消化和血液系統中檢測到銀的存在，這說明納米銀能在體內全身分布。研究表明，口服納米銀后會對體內多個系統產生毒性作用，包括呼吸系統、消化系統、神經系統、免疫系統等[27]。 Hadrup等[27]總結了已報道的通過動物試驗證明的納米銀相關毒性作用，包括死亡、體質量下降、活動性降低、神經遞質的改變、肝酶的改變、心臟增大、免疫損傷等。納米銀的吸入性口毒試驗表明，SD大鼠暴露于低濃度納米銀中28 d后有毒性反應的產生。Sung等[28]研究表明，給予大鼠連續90 d直徑為18 nm的納米銀粒子后，肺部發生了相應的炎癥表現并伴有肺功能的損傷。Shahare和Yashpal等[29]研究了在給予小鼠每日20 mg/kg的納米銀連續21 d后，會出現腸腺上皮細胞的損害。Hadrup等[30]通過對小鼠連續每日口服以2.25 mg/kg濃度的納米銀顆粒后，小鼠的神經遞質發生了一個明顯改變。Trop等[31]報道了納米銀敷料可引起肝功能的損害以及銀中毒的相應表現，患者使用敷料第6日，臉部發生變色現象，皮膚呈淺灰色，嘴唇呈灰藍色，而且排除其他相關因素，推測變色以及肝功能的損害為銀中毒的可能性比較大。另外，也有人報道了納米銀可以對胚胎產生致畸的作用，使得胚胎發育異常。Yeo等[32]研究了在水相環境下納米銀粒子對斑馬魚胚胎孵化及致畸的影響，發現斑馬魚胚胎的孵化率明顯減弱，孵化的斑馬魚可出現脊索異常、心臟跳動減弱、尾部彎曲變形等相關表現，推測納米銀顆粒可對胚胎的DNA造成損害并最終引起胚胎發育的異常。

4小結

納米銀獨特的優點使納米銀在醫學中的應用越來越廣泛，極大地降低了患者的感染風險以及應對濫用抗生素所帶來的麻煩。但納米銀的優點不止局限于此，納米銀粒子在抗腫瘤方面也有一定作用[33]，并可用于腫瘤的診斷和治療[34]，可以充當殺死腫瘤的武器。另外，也有研究發現，納米銀還具有一定的抗炎作用[35-36]和抗血管生成的作用[6]。這些研究極大地擴大了納米銀的應用前景，可以研究出更多的新型納米銀材料，但是，納米銀帶來的諸多問題也應引起我們足夠的重視。

參考文獻

[1]Atiyeh BS,Costagliola M,Hayek SN,etal.Effect of silver on burn wound infection control and healing:Review of the literature[J].Burns,2007,33(2):139-148.

[2]Ge L,Li Q,Wang M,etal.Nanosilver particles in medical applications:synthesis,performance,and toxicity[J].Int J Nanomedicine,2014,9:2399-2407.

[3]Lok CN,Ho CM,Chen R,etal.Silver nano particles:partial oxidation and antibacterial activities [J].J Biol Inorg Chem,2007,12(4):527-534.

[4]Dibrov P,Dzioba J,Gosink KK,etal.Chemiosmotic mechanism of antimicrobial activity of Ag+ in vibviocholerae[J].Antimicob Agents Chemother,2002,46(8):2668-2670.

[5]Chen J,Ouyang J,Kong J,etal.Photo-cross-linked and pH-sensitive biodegradable micelles for doxorubicin delivery[J].ACS Appl Mater Interfaces,2013,5(8):3108-3117.

[6]You C,Han C,Wang X,etal.The progress of silver nanoparticles in the antibacterial mechanism,clinical application and cytotoxi-city[J].Mol Biol Rep,2012,39(9):9193-9201.

[7]Kumar V,Jolivalt C,Pulpytel J,etal.Development of silver nanoparticle loaded antibacterial polymer mesh using plasma polymerization process[J].J Biomed Mater Res A,2013,101(4):1121-1132.

[8]Siddhartha S,Tanmay B,Roy A,etal.Characterization of enhanced antibacterial effects of novel silver nanoparticles[J].Nanotechno-logy,2007,18(22):5103-5112.

[9]謝小保,李文茹,曾海燕,等.納米銀對大腸埃希菌的抗菌作用及其機制[J].材料工程,2008(10):106-109.

[10]曲峰,許橫毅,熊勇華,等.納米銀殺菌機制的進展[J].食品科學,2010,31(17):420-424.

[11]Ramamurthy CH,Padma M,samadanam ID,etal.The extra cellular synthesis of gold and silver nanoparticles and their free radical scavenging and antibacterial properties[J].Colloids Surf B Biointerfaces,2013,102:808-815.

[12]Pal S,Tak YK,Joardar J,etal.Nanocrystalline silver supported on activated carbon matrix from hydrosol:antibacterial mechanism under prolonged incubation conditions[J].J Nanosci Nanotechnol,2009,9(3):2092-2103.

[13]Jung WK,Koo HC,Kim KW,etal.Antibacterial activity and mechanism of action of the silver ion in Staphylococcus aureus and Escherichia coli[J].Appl Environ Microbiol,2008,74(7):2171-2178.

[14]Kim JS,Kuk E,Yu KN,etal.Antimicrobial effects of silver nanoparticles[J].Nanomedicine,2007,3(1):95-101.

[15]Cuin A,Massabni AC,Leite CQ,etal.Synthesis,X-ray structure and antimycobacterial activity of silver complexes with alpha-hydroxycarboxylic acids[J].J Inorg Biochem,2007,101(2):291-296.

[16]Besinis A,De Peralta T,Handy RD.Inhibition of biofilm formation and antibacterial properties of a silver nano-coating on human dentine[J].Nanotoxicology,2014,8(7):745-754.

[17]鐘金棟,夏雪山,張若愚,等.納米銀材料抗菌效果研究及其安全性初步評價[J].昆明理工大學學報:理工版,2005,30(5):91-98.

[18]陳炯,韓春茂,林小瑋,等.納米銀敷料在修復Ⅱ度燒傷創面的應用研究[J].中華外科雜志,2006,44(1):50-52.

[19]Niu M,Liu XG,Dai JM,etal.Antibacterial activitv of chitosan coated Ag-loaded nano-Si02 composites[J].Carbohydr Polym,2009,78(1):54-59.

[20]錢敏.納米銀凝膠治療宮頸糜爛療效分析[J].中華醫學實踐雜志,2010,9(1):33-35.

[21]Magalhaes APR,Santos LB,Lopes LG,etal.Nanosilver application in dental cements[J].ISRN Nanotechnology,2012,2012:1-6.

[22]Furno F,Morley KS,Wong B,etal.Silver nanoparticles and polymeric medical devices:a new approach to prevention of infection[J].J Antimicrob Chemother,2004,54(6):1019-1024.

[23]Lackner P,Beer R,Bronessner G,etal.Efficacy of silver nanoparticles-impregnated ecternal ventricular drain catheters in patients with acute occlusive hydrocephalus[J].Neurocrit Care,2008,8(3):360-365.

[24]van der Zande M,Vandebriel RJ,Van Doren E,etal.Distribution,elimination,and toxicity of silver nanoparticles and silver ions in rats after 28-day oral exposure[J].ACS Nano,2012,6(8):7427-7442.

[25]Lee Y,Choi J,Kim P,etal.A transfer of silver nanoparticles from pregnant rat to offspring[J].Toxicol Res,2012,28(3):139-141.

[26]Shinji T,Erwin K,Christa R,etal.Pulmonary and Systemic Distribution of Inhaled Ultradine Silver Particles in Rats[J].Environmental Health Perspectives,2001,109(4):547-551.

[27]Hadrup N,Lam HR.Oral toxicity of silver ions,silver nanoparticles and colloidal silver--a review[J].Regul Toxicol Pharmacol,2014,68(1):1-7.

[28]Sung JH,Ji JH,Yoon JU,etal.Lung function changes in Sprague-Dawley rats after prolonged inhalation exposure to silver nanoparticles[J].Inhal Toxicol,2008,20(6):567-574.

[29]Shahare B,Yashpal M.Toxic effects of repeated oral exposure of silver nanoparticles on small intestine mucosa of mice[J].Toxicol Mech Methods,2013,23(3):161-167.

[30]Hadrup N,Loeschner K,Mortensen A,etal.The similar neurotoxic effects of nanoparticulate and ionic silver in vivo and in vitro[J].Neurotoxicology,2012,33(3):416-423.

[31]Trop M,Novak M,Rodl S,etal.Silver-coated dressing acticoat caused raised liver enzymes and argyria-like symptoms in burn patient[J].J Trauma,2006,60(3):648-652.

[32]Yeo MK,Kang M.Effects of nanometer sized silver material on biological toxicity during zebrafish embryogenesis[J].Bull Korean Chem Soc,2008,29(6):1179-1184.

[33]Ong C,Lim JZ,Ng CT,etal.Silver nanoparticles in cancer:therapeutic efficacy and toxicity[J].Curr Med Chem,2013,20(6):772-781.

[34]Liu J,Zhao Y,Guo Q,etal.TAT-modified nanosilver for combating multidrug-resistant cancer[J].Biomaterials,2012,33(26):6155-6161.

[35]Lin JJ,Lin WC,Li SD,etal.Evaluation of the antibacterial activity and biocompatibility for silver nanoparticles immobilized on nano silicate platelets[J].ACS Appl Mater Interfaces,2013,5(2):433-443.

[36]Greulich C,Diendorf J,Gessmann J,etal.Cell type-specific responses of peripheral blood mononuclear cells to silver nanoparticles[J].Acta Biomater,2011,7(9):3505-3514.

Progress in Research on Antibacterial Mechanism and Biological Safety of Silver NanoparticlesZHAOYong-bin,ZHAOYa-qun.(DeparmentofNeurosurgery,PLA309thHospital，Beijing100094，China)

Abstract:Along with the increasing bacterial drug resistance and the rapid development of science and technology,the research of new antibacterial material is increasing,especially the silver nanoparticles.Silver nanomaterial has wide antimicrobial spectrum,and strong antimicrobial properties as well as the advantages of no drug-resistance,so its application in clinical medicine is becoming more and more wide,involving many clinical specialties.However,the research of its antibacterial mechanism is relatively limited,and has not been fully elucidated.Studies have also found that new silver nanomaterial has certain toxicity,and improper or excessive use can result in silver toxicity and endanger the health.

Key words:Silver nanoparticles; Antimicrobial mechanism; Clinical application; Biological safety

收稿日期：2014-12-01修回日期：2015-03-06編輯：相丹峰

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.20.033

中圖分類號：R651.1

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)20-3735-03