銀納米簇抗菌機理、活性及其應用的研究進展

龔曉惠 楊敏 李舒婷 林晟豪 許文濤，2

（1.中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083；2.農業農村部農業轉基因生物安全評價（食用）重點實驗室，北京 100083）

抗生素耐藥性是人類健康的重大威脅之一，研制新型低成本、抗菌效力高且不致耐藥性的抗菌替代品是重要的攻克方向，銀因其抗菌沿用歷史已久，一直是技術革新的重要應用對象。如今納米技術的發展已經實現了銀基抗菌劑從銀納米粒子（AgNPs）到銀納米簇（AgNCs）形式的跨越，這種物質尺度上的縮小不僅使AgNCs表現出更出色的抗菌活性，還使其表現出一些特殊的物化性質，可拓寬其應用領域。

納米級金屬大致分為3個尺寸域：大納米顆粒、小納米顆粒和簇。當粒徑與第三特征長度（電子的費米波長）相當時，即位于第三尺寸域“簇”時，其光學、電子和化學性質與另外兩種尺寸截然不同［1］。AgNCs可理解為核心尺寸小于2 nm的超小型AgNPs，其以“可數”的Ag原子作為核心，并受到一定數量的配體保護，但表現出比AgNPs更高效的抗菌作用［2］。關于AgNPs的抗菌機理研究已經較為完善成熟，但更小尺度的AgNCs抗菌機理仍有待進一步研究。

銀納米簇的抗菌活性受到自身理化性質、作用的微生物類型、參與保護的配體種類、其他協同抗菌物質及細胞毒性限制等因素的影響。目前基本上任何一種新形式的抗菌銀納米簇在研發時都需要綜合考慮這些因素，既實現抗菌高效性又保證抗菌安全性。DNA銀納米簇因其序列可調控、銀離子緩釋、高效持久抗菌及低毒性等特點而表現出十分廣闊的應用前景。

本文主要結合所查閱文獻對AgNCs的抗菌機理、抗菌活性的影響因素和抗菌材料的應用進行初步的歸納，并對具有廣泛應用前景的DNA銀納米簇進行了抗菌方面的總結。希望能為相關研究提供建議和方向，完善抗菌機理的體系，開發出更多抗菌活性可調控、生物相容性高的AgNCs，為多樣化的實際應用奠定基礎。

1 銀納米簇概述

金屬納米簇是指由幾個到幾十個金屬原子組成、粒徑小于2 nm、性質介于單個原子和納米粒子之間的納米團簇。其尺寸與電子的費米波長相當，表現出類分子的離散能級分布，可通過能級間電子躍遷實現與光的相互作用，產生強烈的光吸收和尺寸依賴性熒光發射［1，3-5］。近年來金屬納米團簇的研究較多集中于金和銀納米簇，尤其是銀。

AgNCs定義明確的分子結構、離散的電子能級、定量電荷和強發光等物化性質及超小尺寸、良好的生物相容性使其在生物成像、生物傳感、抗菌劑和癌癥治療等生物醫學領域中應用廣泛［6］。銀納米團簇粒徑微小，粒子間會產生強烈相互作用而不可逆地聚集，一般以保護的配體作為其適當的穩定支架，包括有機配體、小分子物質、含巰基化合物、樹形大分子聚合物、其他聚合物分子以及生物大分子等［7］。

2 抗菌機理

目前已有較多關于AgNPs的抗菌能力的研究，抗菌機制的闡明較為清晰。但極小的AgNCs用于抗菌的報道較少，抗菌機制尚未得到充分闡明。

2.1 AgNPs

AgNPs不僅可以黏附在細胞壁和細胞膜表面上導致外膜結構損傷和功能障礙，引發胞壁凹坑、膜穿孔、細胞膜通透性增加、膜骨架無序化、自由基誘導膜損傷、膜成分溶解分散、細胞內容物泄露以及跨膜呼吸衰竭和H+泄漏等一系列過程［8-12］。而且可以滲透進入細胞內部破壞亞細胞結構，擾亂功能代謝［2］，如破壞細胞器（線粒體、液泡和核糖體）和生物分子（蛋白質、脂質和DNA），產生活性氧自由基誘導細胞毒性及氧化應激反應，影響信號傳導途徑［8］（圖1）。

圖1 AgNPs抑菌作用模式圖［13］Fig.1 Routes of antibacterial action of AgNPs

2.2 AgNCs

理論上，AgNCs與微生物細胞壁、細胞膜及亞細胞結構的作用機理可能與AgNPs有很大部分的重合。但是，尺度的微小也賦予其特殊的性能，這可能直接影響到AgNCs粒子進入細菌的跨膜運輸方式及滲透速度。極高的比表面積一方面可以加快AgNCs表面Ag原子氧化釋放Ag+的速率，使大量Ag+快速集中地到達細菌；另一方面可以加大AgNCs與微生物特定結構的相互作用程度、加快產生活性氧及其他生物化學反應進程。

目前關于AgNCs的抗菌研究多以大腸桿菌和金黃色葡萄球菌作為革蘭氏陰性和陽性代表菌株，少量涉及到白色念珠菌作為抑菌對象，并且缺乏對抗菌機理的深入研究。Li等［14］合成了核黃素保護的AgNCs（RF-AgNCs），提出其抑菌機理可能是破壞了細胞膜的完整性及誘導細胞內部產生了較多的活性氧。Jin等［15］研究了二氫硫辛酸（dihydrolipoic acid，DHLA）保護的AgNCs對革蘭氏陰性細菌的抗菌機制（圖2），提出AgNCs主要通過破壞外層細胞膜及滲透進入胞內抑制大腸桿菌DH5α的生長，通過孔蛋白通道擴散抑制大腸桿菌DSM 4230生長。內化的AgNCs及其氧化釋放的銀離子與DNA作用，抑制遺傳物質復制；與蛋白質的-SH相互作用，干擾其正常功能；與細胞膜上呼吸鏈作用，阻斷呼吸。

圖2 AgNCs對大腸桿菌的抑菌機制示意圖［15］Fig.2 Schematic diagram of antibacterial mechanism of AgNCs against Escherichia coli

3 影響抗菌活性的因素

3.1 理化性質

3.1.1 尺寸及表面帶電性 AgNPs的尺寸進一步縮小至AgNCs的形式可以提高其殺菌性能。在殺死大腸埃希氏菌方面，AgNCs優于具有相同Ag濃度的AgNPs［16］。與AgNPs相比，超小型AgNCs的比表面積大，可以更快地釋放更多數量的Ag+，增強殺菌性能。

Xu等［17］用0.6 kD-25 kD的聚乙烯亞胺（PEI）分子合成了一系列PEI-AgNCs，小分子量PEI形成的小直徑PEI-AgNCs復合物，具有更多與細菌碰撞的機會，并將更快地擴散。而且由于PEI帶正電荷，PEI-AgNCs容易在帶負電的細菌表面上被吸收和富集。

3.1.2 氧化態 相比于低價態的銀，高價態銀的還原勢極高，更易使周圍空間產生活性氧，產生更高的抗菌活性［18］。Yuan 等［19］以谷胱甘肽（glutathione，GSH）作為配體合成了GSH-Ag+-RNCs和GSH-Ag0-RNCs，二者具有相同的粒徑分布和表面配體，只是Ag的氧化態不同。對于銅綠假單胞菌、大腸桿菌（G-）、枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌（G+），GSHAg+-RNCs都具有比對照物GSH-Ag0-RNCs高很多的抗微生物活性。若在嚴格的厭氧條件下，Ag0將不能被氧化成Ag+，從而使AgNCs失去抗菌能力。

3.2 微生物類型

Farrag等［20］制備了L-GSH還原保護的1 nm大小的 Agn（SG）m，超小尺寸的 Agn（SG）m與光接觸的表面積大大增加，產生了更多的自由基和活性氧，造成菌的死亡。實驗中測試的革蘭氏陽性細菌（金黃色葡萄球菌、蠟狀芽孢桿菌、黃球微球菌）對Agn（SG）m的抵抗力更高，革蘭氏陰性細菌（銅綠假單胞菌、大腸桿菌和黏液鏈球菌）抵抗程度更低。DHLA-AgNCs也表現出了對革蘭氏陰性細菌更強的抑制作用［15］。

革蘭氏陰性細菌和陽性細菌之間的差異可能與細胞壁結構組成有關，革蘭氏陰性菌的細胞壁最外層是脂多糖，肽聚糖層（7-8 nm）較薄；革蘭氏陽性菌的細胞壁肽聚糖含量更高，厚（20-80 nm）且致密，比革蘭氏陰性細菌細胞壁強度和硬度都更高，銀納米簇更難實現錨定和穿透進入胞內。另外，革蘭氏陰性細菌在細胞壁中包含脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），LPS的負電荷會促進Ag的黏附，表現出更強的敏感性［21］。

Agn（SG）m顯著抑制土壤真菌總量的增長，濃度范圍為125 μg/mL-1 000 μg/mL的水溶性Agn（SG）m對細菌的抑制作用強于真菌。納米銀的抗真菌作用歸因于其影響分生孢子萌發、抑制菌絲體生長［22］及改變細胞膜通透性等。較高濃度的Agn（SG）m（8.0 mg/L）可以抑制大多數霉菌的生長。除尖孢鐮刀菌外，被測真菌（白色念珠菌、黃曲霉菌、紅曲霉菌）都顯示出較弱的抗Agn（SG）m作用。

3.3 配體種類

除了其固有的抗微生物特性外，AgNCs的表面配體還可以調整以進一步增強抗微生物能力。AgNCs的制備經歷了無模板、硬模板和軟模板3個演化階段，硬模板包括無機玻璃和沸石，軟模板包括脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）、蛋白質、肽、樹狀聚合物等長鏈分子和一些有機小分子，大多涉及到堿基、巰基、羧基與Ag的相互作用力［23］。

目前已經開發了許多受不同配體保護的抗 菌 AgNCs， 包 括 DNA［24-26］、 聚 乙 烯 亞 胺（polyethylenimine，PEI）［17，27］、谷胱甘肽（GSH）［28-29］、二氫硫辛酸（dihydrolipoic acid，DHLA）［15］、羧甲基 -β-環糊精（CM-β-CD）［16］、硫普羅寧（tiopronin）［30］、硫醇封端的磷酸膽堿（PC-AgNCs）［31］、核黃素（riboflavin，RF）［14］、殼聚糖（chitosan）［32］和桿菌肽（bacitracin）［33］等配體，其中一些在殺死細菌方面顯示出很高的效率。調節AgNCs表面配體為調整它們與細菌的相互作用及控制Ag+的釋放速率提供了可行性。

3.4 協同抗菌物質

將AgNCs和達托霉素偶聯開發的雜合抗菌劑繼承了兩種殺菌物質固有的特性，顯示出高效的協同殺菌作用。雜合結構內的局部達托霉素可有效破壞細菌膜，局部AgNCs可產生ROS氧化細菌脂質雙層，加劇膜損傷，反過來進一步使更多的D-AgNCs進入細菌并在胞內產生局部高ROS濃度，引起嚴重的DNA損傷，產生高效殺滅作用［34］。

以有機光敏染料玫瑰孟加拉紅（rose bangel，RB）與AgNCs合成復合納米材料，經白色二極管（light emitting diode，LED）照射，由RB釋放單線態氧、AgNCs釋放Ag+，可顯著降低變形鏈球菌、牙齦卟啉單胞菌和放線共生放線桿菌的細菌濁度，且具有低細胞毒性，促進了口腔治療領域抗菌光動力療法的發展［35］。

3.5 細胞毒性

哺乳動物模型體內生物分布和毒性研究表明，AgNPs進入體內可能會對肝、腎、脾、腦和肺等多個靶器官產生毒性［36-39］。哺乳細胞體外研究發現，AgNPs能夠干擾細胞功能并引起毒性作用，包括DNA損傷、細胞凋亡以及誘導細胞內產生活性氧等［40-46］。

高抗菌活性必定增加細胞毒性風險，這也是限制其發揮抗菌活性的重要因素。AgNCs毒性控制的優越性有兩方面，超小尺寸（＜2 nm）在體內具有快速的腎清除率［47］，配體調整可以實現Ag+初始快速釋放、隨后持續平穩低濃度釋放。

Ag+的釋放是AgNCs殺菌的重要機制，高劑量Ag+會引起嚴重的細胞毒性。建立緩慢的銀離子釋放機制，使Ag+濃度維持在發揮抗菌活性同時不引發細胞毒性的安全有效范圍內是關鍵。AgNCs極大的比表面積為外圍的配體提供了很好的固定空間，通過配體帶電性、分子量大小、化學性質等的調整，可以調控Ag+釋放量及釋放速率，從而實現細胞低毒無毒。Chandirasekar等［48］合成的膽酸鈉保護的AgNCs（200 μL/mL）未對斑馬魚胚胎產生可觀察到的毒性。DHLA-AgNCs（0-100 μg/mL）對人胃上皮細胞GES-1細胞沒有明顯的毒性［15］。Yang等［26］制備的“Y-X”形狀的超級AgNC對293T（人類胚胎腎細胞）、SMCs（血管平滑肌細胞）和GLC-82（肺腺癌細胞）3種組織細胞均表現出低毒性。

另外，若配體本身生物相容性高也可以極大地減小AgNCs細胞毒性，如谷胱甘肽、磷酸膽堿、核黃素等物質。PC-AgNCs在100 μg/mL濃度范圍內，所有細胞形態均良好，沒有明顯的細胞毒性［31］。核黃素配體保護的銀納米簇處理人紅細胞沒有溶血現象，24 h和48 h孵育后對HUVE（人臍靜脈內皮細胞）或HK-2（人腎近曲小管上皮細胞）的增殖均無明顯影響［14］。

4 AgNCs應用載體

4.1 有機納米材料

將納米纖維素膜簡單浸入受聚甲基丙烯酸（polymethacrylic acid，PMAA）保護的AgNCs溶液中，PMAA與納米纖維素或殘留的半纖維素以氫鍵方式結合，在水性介質中釋放，可實現阻止細菌在比薄膜面積大5倍的表面積范圍內生長，應用于傷口愈合墊［49］；在絲纖維上通過紫外線誘導原位合成AgNCs，得到熒光性AgNCs復合絲纖維，適用于大多數天然和人造纖維，在熒光服裝、防偽標簽和抗菌材料的應用中很有前景［50］；通過射頻共濺射技術將不同厚度的抗菌銀納米簇/二氧化硅復合層均勻地涂覆在Kevlar?織物上，可大大降低微生物在涂層表面的粘附。高性能紡織品在航空航天領域廣泛使用，能避免航天器和軌道站在長時間的太空探索任務中受到微生物污染［51］。

以原位合成方法制備包埋在殼聚糖-聚乙二醇（CS-PEG）膜中的AgNCs（圖3），可以阻礙大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生物膜形成，AgNCs含量影響膜的孔隙率和機械強度，使抗炎藥萘普生在體外可持續釋放24 h。AgNCs浸漬的CS-PEG膜將抗菌活性、生物相容性與局部藥物遞送相結合，是一種具有廣泛應用前景的可植入多功能設備［52］。

圖3 AgNCs在微孔CS-PEG膜中原位浸漬示意圖［52］Fig.3 Schematic diagram of in situ impregnation of AgNCs in microporous CS-PEG membranes

將GSH-AgNCs與膜的聚酰胺表面化學結合，可以得到高效的抗菌正向滲透膜，可應用于海水淡化及水資源凈化領域［53］；將AgNCs摻入玉米醇溶蛋白膜中，形成的新型涂料具有高抗菌活性，應用于食品包裝材料具有巨大潛力［54］；石璐等和馬蕓［55-56］以巰基化合物（L-半胱氨酸）為保護劑，通過紫外光還原法將銀納米簇一步合成在由L-半胱氨酸自組裝形成的水凝膠中，可有效抑制砧板上的雜菌。呈凝膠狀態的銀納米簇水凝膠使用便捷，易被流水沖洗，可應用于餐具消毒劑。銀娜等［57］提出AgNCs應用于食品包裝涂層不僅可以利用其熒光性檢測諸如產毒真菌及毒素、金屬離子以及食源性致病菌等污染物，還可以發揮抗菌作用，延長食品保質期。

4.2 無機納米材料

Lu等［58］通過一鍋微乳液法合成包覆銀納米團簇的二氧化硅納米球（Ag-SiO2），水溶液中銀離子不斷從二氧化硅球中釋放出來，48 h培養期間完全抑制了革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌的生長。未來可以期待這種高效的抗菌雜化無機材料找到潛在的臨床和環境應用形式。

Patil等［59］在光化學輻射下利用人參果果皮提取物作為還原劑合成了石墨烯銀納米復合材料（rGO@AgNCs），其對牙齒病原體短小芽孢桿菌、銅綠假單胞菌、糞腸球菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等都有一定的抑制作用，可以作為牙齒病原體的優異抗菌劑。

5 DNA銀納米簇

具有強大分子可編程性的DNA是調節AgNCs的理想支架，抗菌活性與核苷酸序列、DNA二級結構、熒光體顏色、穩定性等有一定的關聯，但相關研究較少，規律性有待進一步探索。Javani等［24］用9種不同序列及長度的寡核苷酸合成DNA-AgNCs發現，其抗菌活性與寡核苷酸的序列有關。以最佳抗菌活性序列合成的三聚體可以在亞微摩爾范圍內抑制革蘭氏陽性和陰性細菌的生長，藍色熒光DNAAgNCs抗菌活性弱于黃色和紅色熒光體。添加三聚氰胺與DNA模板中T堿基特異性相互作用可以增強DNA-AgNCs的抗菌作用［25］。

Yang等［26］精確設計和構建了可調整形狀和臂長的Y、X和（Y-X）型super-AgNC，super-AgNCs具有出色的抗菌性能（圖4），并與293T（人類胚胎腎細胞），SMCs（血管平滑肌細胞）和GLC-82（肺腺癌細胞）生物相容。這些性能使super-AgNCs可以適應多種應用，如生物傳感、生物成像和抗菌劑。

圖4 Y-super-NC、X-super-NC和（Y-X）-super-NC合成過程及結構示意圖［26］Fig.4 Schematic diagram of synthetic process and structure of Y-super-NC, X-super-NC, and (Y-X)-super-NC

靈活多變、合成簡便、強熒光性、高抗菌活性與低毒性等優點賦予了DNA銀納米簇廣泛的應用前景。寡聚核苷酸分子尺寸小、結構多樣、合成方便，可組裝成不同結構（如B-form、G-四鏈和i-motif等）阻止納米銀團簇的聚集，AgNCs的熒光性、穩定性、緩釋性和抗菌活性可以不斷優化和探索。DNAAgNCs具有強烈的熒光性，可幫助追蹤抗菌過程和研究抗菌機理，而且在已經比較成熟的生物傳感技術上疊加抗菌活性，將兼具分析檢測與抗菌功能。堿基（尤其是胞嘧啶）與Ag+的親和力可以實現Ag+低劑量緩慢釋放，有效地控制細胞毒性。寡聚核苷酸生物半衰期短、跨膜能力弱，進入體內易被核酸酶和不適宜的環境（如胃酸）破壞和降解［60］，被保護的Ag團簇能夠及時離散，可能很大程度上降低體內危害。

6 總結與展望

目前AgNCs抗菌研究多集中在合成方法優化、配體類型創新、載體結合多樣化及細胞毒性評估等方向上，關于抗菌機理的描述大多沿襲了AgNPs的相關機理，AgNPs抗菌機理的研究方法、技術手段可以借鑒應用于AgNCs上，只是目前能夠看到的AgNCs抗菌的報道較為有限，但今后的研究也會不斷增長。

尺寸、氧化態、表面性質、形狀等理化性質和配體、載體等可以實現AgNCs抗菌活性的可控化調節，細胞毒性的控制則大多通過建立合適的銀釋放曲線，以安全有效劑量持續釋放。

盡管AgNCs應用于抗菌有著諸多不可比擬的優勢，但其在抗菌領域的研究仍處于一個新興的階段。未來AgNCs在抗菌方向的發展趨勢可能包括以下幾方面：

（1）配體、實物載體更加多樣化：配體是保持其“簇”的狀態的關鍵因素，實物載體直接關系到AgNCs在特定領域的應用，目前已有很多創新性研究立足于配體和實物載體的新探索，未來也將極大豐富和發展。

（2）更充分的抗菌性能研究和毒理學評估：目前AgNCs抗菌活性測試選擇的菌種有限，抗菌機理尚不深入，銀釋放動力學與細胞毒性未建立系統的關聯，未來的研究也將逐一深入和擴充。

（3）在生物醫學領域發揮重要作用：外用傷口敷料和體內經皮設備等可以通過AgNCs形成局部抗菌環境以促進組織愈合生長，面臨的問題主要是體內銀遷移和殘留。應進行長期的細胞毒性、誘變性和致癌性研究，以驗證在治療過程中可能發生的任何不良反應。

（4）銀納米簇相關產品走進日常生活：如餐具消毒劑、抗菌保鮮膜、口罩等可以保障衛生與安全，這也對企業或研發單位提出了更高的要求，在產品正式進入市場前充分考量其安全性。

（5）以具有成本效益和環境友好的方法合成AgNCs，順應未來工程化、綠色生產的趨勢，比如利用微生物和植物提取物進行綠色合成。

（6）DNA-AgNCs抗菌活性與DNA序列、熒光體顏色等因素關聯的規律性更加明晰，實際應用不斷拓展：近年來DNA-AgNCs主要是作為強熒光性的新材料而備受關注，針對AgNCs熒光性而進行的大量序列優化和篩選工作為抗菌活性的研究直接提供了優良的熒光序列庫。在此基礎上合成得到熒光強度和發光波長合適以及高抗菌活性的DNA-AgNCs將兼具生物傳感和抗菌雙重功能。目前DNA-AgNCs抗菌活性與DNA堿基序列、二級結構及熒光體顏色之間的規律性尚不清楚，作為抗菌材料的實際應用也比較缺乏，后續的研究將填補這些空白。