金納米粒對革蘭陰性菌的作用效果

魏勝兵

（沈陽金域醫學檢驗所有限公司，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）引起的醫院感染是衛生保健人員面臨的最具挑戰性的問題之一[1]。納米材料（nanoparticles，NPs）具有大的比表面積和多功能性，這可以增強它們對實驗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、多價效應和光熱效應等優點，在抗菌藥物的研發中有著廣泛的應用前景[3]。本文綜述了AuNPs的制備方法、作用機制及對革蘭陰性菌的作用效果，為進一步的研究提供理論依據。

2 AuNPs的制備方法

選擇合適的AuNPs合成方法對于優化NPs的尺寸和形狀，從而調整其性能以適應特定的應用至關重要。通過從大塊黃金中破碎而產生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]。電化學方法、播種生長法和生物學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，因此可制備每個大小都在5～40 nm的粒子。人們越來越需要研發一種環保，且成本低的方法來合成不使用任何有毒化學物質的納米顆粒，NPs的生物合成作為一種綠色環保的方法，近年來備受關注。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對細菌的作用機制

3.1 ROS作用 AuNPs對細菌細胞毒性的確切和完整機制尚待進一步完善。通常納米毒性是通過氧化應激（活性氧化）的激發而產生的。以前的研究重點在活性氧（reactive oxygen species，ROS），包括過氧化物、羥基自由基和過氧化氫的產生上。ROS被認為是NPs抗菌機制的關鍵特征之一，如細胞壁損傷、膜透性變化、質子動力變化引起的NPs離子穿透等[6]。此外，ROS還可以破壞對維持細菌細胞正常生理發育至關重要的蛋白質，降低某些胞質酶的活性。根據以往的研究，誘導NPs抗菌活性和ROS生成的幾個過程包括：①細胞膜干擾；②穿過細胞膜；③誘導細胞內與線粒體以及DNA的相互作用[7]。

3.2 5個作用特點 Tillotson等[8]研究者提出，顆粒大小、功能化，以及實驗菌株等，與AuNPs的殺菌作用機制相關。為了解釋AuNPs是如何消滅細菌的，不同研究結果展現了NPs的5個特點，這5個特點使它成為抗生素的可能替代品。第一，NPs容易穿透細菌細胞膜，破壞其結構，導致細菌細胞死亡[9-10]。第二，NPs的抗菌機制與抗生素類似，包括ROS介導的氧化應激、細胞膜破裂、細胞內蛋白質合成抑制和細胞內成分滲漏[11]。ROS主要包括超氧物（O2·－）、羥基自由基（·OH）、單線態氧（1O2）和過氧化氫（H2O2），NPs產生活性氧被認為是其介導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生的不良反應，有效地將抗生素管理到目標位置[12]。第四，NPs在體內的滯留能力遠大于抗生素，這可能有利于長期的治療效果。第五，NPs可以根據其目標和用途進行功能化，因為它們可以有效地對抗細菌細胞，而不會對哺乳動物細胞產生毒性[13]。

4 AuNPs的性質、合成和對革蘭陰性菌的作用

4.1 AuNPs粒子直徑 開發具有新靶點或新作用方式的抗菌藥物，以避免對目前臨床使用的藥物產生交叉耐藥性，是解決細菌耐藥性最有效的方法之一[14]。AuNPs技術已經在許多研究中得到了探索，以期研發針對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Zheng等[5]研究者在2017年的研究結果，AuNPs減小到納米團簇大小，如直徑＜2.0 nm，也能對一些真菌和細菌菌株具有抗菌活性[15]。通過對裸磁鐵納米顆粒、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、含零價金的AuNPs，作者?aln?ravi?ius等[11]以Fe2+和Fe3+鹽為前驅體，以蛋氨酸為穩定劑，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作用時常用的革蘭陰性菌 AuNPs作用效果研究中常用的革蘭陰性細菌包括大腸埃希菌（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菌，可能是由于其在體內相對于其他細菌普遍存在。

4.4 AuNPs對革蘭陰性菌作用效果 有研究結果顯示，AuNPs可以作為有效的生長抑制劑對抗革蘭陰性試驗菌。AuNPs對革蘭陰性試驗菌有明顯的抗菌活性作用，革蘭陰性試驗菌對合成的AuNPs濃度的敏感性在醫學和制藥領域有很大的差異（P＜0.01），革蘭陰性試驗菌在表面有一價金離子金屬封端的AuNPs作用下，生長明顯被抑制[11]。AuNPs在納米醫學領域有很強的潛力，研究表明具有相同的粒徑分布的金膠體溶液，在生物學上非常適合用于醫藥領域[10]，生物源性的AuNPs可能在開發新的抗菌劑方面具有治療潛力。植物化學物質穩定的AuNPs是一種安全有效的抗菌藥物來源，新合成的β環糊精-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]在實驗介質中的溶解度提高了16倍，在所有被評價的細菌中均獲得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學應用[12]。

5 結 論

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

本研究發現，AuNPs對革蘭陰性菌有良好抗菌活性作用，其濃度與作用效果相關；顆粒的大小、功能化特性、輔助材料和實驗菌株等是AuNPs抗菌機制的相關因素；顆粒的特性和穩定性與AuNPs的抗菌活性相關；生物源性穩定的AuNPs是一種安全有效的抗菌藥物來源；復合體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、多價效應、易檢測、光熱活性高等優點的AuNPs，在抗菌藥物的研發中具有重要的應用價值，在醫學領域有很強的應用潛力。

現階段有關AuNPs抗菌活性的臨床研究很少，研究主要是體外試驗。因此，成功地將納米材料轉化為治療多重耐藥（multi-drug resistant，MDR）細菌臨床應用的體內研究，包括動物體內試驗等，需要進一步深入。另外，在應用AuNPs之前，其對環境、人體和其他生物的毒性也應進行系統的研究和評估。