金纳米粒对革兰阴性菌的作用效果

魏胜兵

（沈阳金域医学检验所有限公司，辽宁 沈阳 110164）

1 背 景

革兰阴性菌能引起人类的严重疾病，尤其是免疫功能低下的人，其中革兰阴性杆菌（gram-negative bacteria，GNB）引起的医院感染是卫生保健人员面临的最具挑战性的问题之一[1]。纳米材料（nanoparticles，NPs）具有大的比表面积和多功能性，这可以增强它们对实验微生物和其他疾病的作用效果[2]。金纳米粒（Au nanoparticles，AuNPs）具有无毒、表面修饰的多样性、多价效应和光热效应等优点，在抗菌药物的研发中有着广泛的应用前景[3]。本文综述了AuNPs的制备方法、作用机制及对革兰阴性菌的作用效果，为进一步的研究提供理论依据。

2 AuNPs的制备方法

选择合适的AuNPs合成方法对于优化NPs的尺寸和形状，从而调整其性能以适应特定的应用至关重要。通过从大块黄金中破碎而产生NPs和从原子水平开始建立NPs，被称为“自上而下”和“自下而上”的AuNPs两种基本制备策略[4]。电化学方法、播种生长法和生物学方法是研究中常见到的几种合成AuNPs的方法。另外一种合成AuNPs的方法是播种生长法，根据种子生长过程，合成了直径为5～40 nm窄粒径分布的薄膜。颗粒大小可通过改变种子与金属盐的比例，因此可制备每个大小都在5～40 nm的粒子。人们越来越需要研发一种环保，且成本低的方法来合成不使用任何有毒化学物质的纳米颗粒，NPs的生物合成作为一种绿色环保的方法，近年来备受关注。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对细菌的作用机制

3.1 ROS作用 AuNPs对细菌细胞毒性的确切和完整机制尚待进一步完善。通常纳米毒性是通过氧化应激（活性氧化）的激发而产生的。以前的研究重点在活性氧（reactive oxygen species，ROS），包括过氧化物、羟基自由基和过氧化氢的产生上。ROS被认为是NPs抗菌机制的关键特征之一，如细胞壁损伤、膜透性变化、质子动力变化引起的NPs离子穿透等[6]。此外，ROS还可以破坏对维持细菌细胞正常生理发育至关重要的蛋白质，降低某些胞质酶的活性。根据以往的研究，诱导NPs抗菌活性和ROS生成的几个过程包括：①细胞膜干扰；②穿过细胞膜；③诱导细胞内与线粒体以及DNA的相互作用[7]。

3.2 5个作用特点 Tillotson等[8]研究者提出，颗粒大小、功能化，以及实验菌株等，与AuNPs的杀菌作用机制相关。为了解释AuNPs是如何消灭细菌的，不同研究结果展现了NPs的5个特点，这5个特点使它成为抗生素的可能替代品。第一，NPs容易穿透细菌细胞膜，破坏其结构，导致细菌细胞死亡[9-10]。第二，NPs的抗菌机制与抗生素类似，包括ROS介导的氧化应激、细胞膜破裂、细胞内蛋白质合成抑制和细胞内成分渗漏[11]。ROS主要包括超氧物（O2·－）、羟基自由基（·OH）、单线态氧（1O2）和过氧化氢（H2O2），NPs产生活性氧被认为是其介导抗菌活性的主要原因。第三，各种NPs可以作为抗生素药物载体，通过减少抗生素可能产生的不良反应，有效地将抗生素管理到目标位置[12]。第四，NPs在体内的滞留能力远大于抗生素，这可能有利于长期的治疗效果。第五，NPs可以根据其目标和用途进行功能化，因为它们可以有效地对抗细菌细胞，而不会对哺乳动物细胞产生毒性[13]。

4 AuNPs的性质、合成和对革兰阴性菌的作用

4.1 AuNPs粒子直径 开发具有新靶点或新作用方式的抗菌药物，以避免对目前临床使用的药物产生交叉耐药性，是解决细菌耐药性最有效的方法之一[14]。AuNPs技术已经在许多研究中得到了探索，以期研发针对革兰阴性病原体的有效药物。作用于革兰阴性菌的AuNPs尺寸大多在20～40 nm。据Zheng等[5]研究者在2017年的研究结果，AuNPs减小到纳米团簇大小，如直径＜2.0 nm，也能对一些真菌和细菌菌株具有抗菌活性[15]。通过对裸磁铁纳米颗粒、D，L-蛋氨酸和牛血清白蛋白（BSA）的比较，Žalnėravičius 等[11]定量分析了超小型（Ø～1.8 nm）Au@Met NPs和Fe3O4@Au@Met NPs的抗菌效果。

4.2 AuNPs辅助合成材料 不同的研究中采用了不同的颗粒合成辅助材料，Asela等[12]合成了一种新的β环糊精-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，并在溶液中形成稳定的βCD-AT-AuNPs三元体系。在另一研究中通过还原Fe3O4表面的金属氧化物（Met）分子，在磁铁矿纳米颗粒表面合成了超小、尺寸均匀、含零价金的AuNPs，作者Žalnėravičius等[11]以Fe2+和Fe3+盐为前驱体，以蛋氨酸为稳定剂，采用水热法合成了磁铁矿NPs，以控制NPs生成的均匀性。

4.3 研究AuNPs作用时常用的革兰阴性菌 AuNPs作用效果研究中常用的革兰阴性细菌包括大肠埃希菌（MTCC 443、MTCC 4296、ATCC 25922、ATCC 25922）[10-11]、铜绿假单胞菌（MTCC 424、ATCC 27853、PTCC 1707）[10-11]、肺炎克雷伯菌（ATCC 700603）[12]、鲍曼不动杆菌（ATCC BAA-747）[11]、沙门菌（GTCBTL，B-25）[11]。大肠埃希菌是研究最多的细菌，可能是由于其在体内相对于其他细菌普遍存在。

4.4 AuNPs对革兰阴性菌作用效果 有研究结果显示，AuNPs可以作为有效的生长抑制剂对抗革兰阴性试验菌。AuNPs对革兰阴性试验菌有明显的抗菌活性作用，革兰阴性试验菌对合成的AuNPs浓度的敏感性在医学和制药领域有很大的差异（P＜0.01），革兰阴性试验菌在表面有一价金离子金属封端的AuNPs作用下，生长明显被抑制[11]。AuNPs在纳米医学领域有很强的潜力，研究表明具有相同的粒径分布的金胶体溶液，在生物学上非常适合用于医药领域[10]，生物源性的AuNPs可能在开发新的抗菌剂方面具有治疗潜力。植物化学物质稳定的AuNPs是一种安全有效的抗菌药物来源，新合成的β环糊精-2-氨基-4-（4-氯苯基）噻唑金纳米粒[β cyclodextrin-2-amino-4-（4-chlorophenyl）thiazole，βCD-AT-AuNPs]，将2-氨基-4-（4-氯苯基）噻唑[2-amino-4-（4-chlorophenyl）thiazole，AT]在实验介质中的溶解度提高了16倍，在所有被评价的细菌中均获得1024 μg/mL的抗菌活性，βCD-AT-AuNPs三元体系的尺寸适合于潜在的生物医学应用[12]。

5 结 论

抗生素已经成为有效治愈威胁人类生命的感染性疾病的有效制剂。自从发现抗生素以来，其一直被认为是治疗各种细菌感染的主要药物。然而，随着抗生素使用的增多，细菌对这些药物的耐药性也在迅速增强。近年来，NPs因其良好的理化性质而被大量研究，以解决细菌的耐药性问题。与基于NPs的癌症研究相比，基于NPs的抗菌活性这一领域相对较新。在这篇综述中，本文对AuNPs合成方法、作用机制、不同AuNPs的合成特点，以及其对革兰阴性菌的作用结果和相关结论做了系统的总结和分析。

本研究发现，AuNPs对革兰阴性菌有良好抗菌活性作用，其浓度与作用效果相关；颗粒的大小、功能化特性、辅助材料和实验菌株等是AuNPs抗菌机制的相关因素；颗粒的特性和稳定性与AuNPs的抗菌活性相关；生物源性稳定的AuNPs是一种安全有效的抗菌药物来源；复合体AuNPs材料可以有效提高抗菌药物的作用效果。具有无毒、功能化能力强、多价效应、易检测、光热活性高等优点的AuNPs，在抗菌药物的研发中具有重要的应用价值，在医学领域有很强的应用潜力。

现阶段有关AuNPs抗菌活性的临床研究很少，研究主要是体外试验。因此，成功地将纳米材料转化为治疗多重耐药（multi-drug resistant，MDR）细菌临床应用的体内研究，包括动物体内试验等，需要进一步深入。另外，在应用AuNPs之前，其对环境、人体和其他生物的毒性也应进行系统的研究和评估。