纳米材料作为抗菌肽递送载体的研究进展

康芷若，王如霞，陈梦涵，梁寅峰，张路遥，张德显，刘明春

(沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866)

抗菌肽(antimicrobial peptides，AMPs)是一类两亲性阳离子短肽，其氨基酸数量多在100以内。细菌的细胞膜上含有丰富的阴离子，与真核细胞相比，阳离子多肽与细菌的细胞膜之间更易产生静电相互作用，使细胞膜上形成孔洞，胞内物质泄漏[1]，某些抗菌肽也可以抑制细菌核酸、蛋白质或细胞壁的合成[2]。抗菌肽不仅具有广谱抗菌活性，比如对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌等多种病原菌均具有良好的抗菌活性，还能够抑制细菌生物被膜的形成[3]；同时能够调节机体的免疫反应和全身炎症反应，发挥良好的抗感染治疗效果。为了克服有些抗菌肽的溶血性、低蛋白酶抗性[4]及易被生物体内的蛋白酶降解等缺点，人们通常通过结构改造或使用纳米材料对抗菌肽进行吸附或包埋等策略来提高其稳定性，减低其毒性，改善治疗效果[5]。

纳米材料是一种应用于生物医学和材料科学等多个领域的生物材料，种类繁多，如脂质体、金属纳米颗粒、聚合物等，可根据其材料特性分为无机纳米材料和有机纳米材料[6]。纳米材料通常具有生物相容性、可控释放性、低毒性等特点[7]，与抗菌肽结合后，可避免抗菌肽被生物体内的蛋白酶降解，并将其递送到机体特定部位释放药物[8]；纳米载体对抗菌肽的改造，还能够使可用于临床的抗菌肽的数量增加。

本文主要介绍纳米材料作为递送载体在改善抗菌肽药理活性及不良反应方面的研究进展，以期为深入研究和促进纳米材料及抗菌肽的广泛应用提供指导。

1 抗菌肽简介

抗菌肽可以由哺乳动物、两栖动物、鱼类、昆虫、植物和微生物等产生，根据其二级结构不同可将其分为α-螺旋结构、β-折叠结构、β-发夹结构及延伸结构等。α-螺旋型抗菌肽主要特征为分子内具有一个或多个螺旋结构域。β-折叠型抗菌肽分子内存在β-折叠和反平行的β-折叠结构，以及结构稳定的二硫键。具有β-发夹结构的环形肽具有高度可变性。具有延伸结构的抗菌肽多为线型，富含甘氨酸等小分子氨基酸，富含的碱性氨基酸使得其具有强碱性[9]。由于抗菌肽存在较多的疏水键，从而具有较好的水溶性。抗菌肽具有广谱抗菌活性，比如对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌等多种病原菌均具有良好的抗菌活性。另据报道，抗菌肽亦具有调节机体免疫反应和促进伤口愈合等优点[10]。然而，有些抗菌肽具有溶血性和低蛋白酶抗性，能够使红细胞破裂，血红蛋白逸出，对机体造成危害；低蛋白酶抗性使得抗菌肽易被生物体内的蛋白酶降解，降低药物的治疗效果。可以通过替换氨基酸残基、截取短序列抗菌肽、改变短肽的结构参数、合成杂合肽等方法对抗菌肽进行改造，从而降低其对机体的危害[11]。目前，抗菌肽已应用于畜牧养殖、食品保鲜、农作物杀虫剂、护肤品等多个领域。

2 无机纳米材料作为抗菌肽的递送载体

无机纳米材料包括金属纳米颗粒、磁性纳米颗粒、碳纳米管和量子点等。由于具有独特的生物学特性、更大的比表面积和能够携带更多的药物等优点，无机纳米材料被应用于多种药物的递送。无机纳米材料的作用机制通常为活性氧(ROS)机制、纳米颗粒与细菌膜的相互作用、金属离子与细胞壁的相互作用和纳米颗粒与蛋白质上的巯基作用等。某些无机纳米材料可以与磁场或光相互作用触发药物释放，局部加热以达到抗菌和抗癌效果[12-15]。

2.1 金属纳米颗粒

金属纳米颗粒(MNPs)具有制备简单、价格低廉、性能稳定、独特的光学特性和生物学特性等优点[16]，其中对银纳米颗粒和金纳米颗粒的研究相对广泛。金属纳米颗粒与抗菌肽结合后可提高抗菌肽的稳定性，较小的纳米颗粒可以避免被免疫载体识别和清除[17]，保护抗菌肽不被蛋白酶水解，选择性递送到特定的部位。

银纳米颗粒(AgNPs)具有导电性、热稳定性和化学稳定性[18]。李文茜将多功能抗菌肽(MFP)通过物理相互作用与银纳米颗粒结合，结果发现对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌具有较好的抗菌活性，甚至对于多重耐药鲍曼不动杆菌也具有良好的抗菌活性，提高了炎症靶向性，降低了酶敏感性，且不易产生耐药性[19]。Gao J等将抗菌肽(P-13)和银纳米颗粒结合成一种直径约为11 nm的复合材料，可以提高抗菌肽的抗菌活性，降低细胞毒性，并在水溶液中保持良好的稳定性，其结合物对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌、短小芽孢杆菌和铜绿假单胞菌的最低抑菌浓度分别为7.8 μg/mL和15.6 μg/mL。流式细胞仪对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和短小芽孢杆菌的检测结果表明，菌株的死亡率分别达到96%、96%、91%和90%[20]。

金纳米颗粒(AuNPs)有许多独特的光学性质，即局域表面等离子体共振，可通过光热杀菌，且具有优异的生物相容性，在医学诊断等方面具有广泛的应用[12]。Lee B等人将抗菌肽(HPA3Phis)负载到金纳米颗粒DNA适配体(AuNP-Apt)上，与单独使用抗菌肽相比，结合物提高了抗菌肽对创伤弧菌的穿透性和杀灭速度，而对宿主细胞无影响[21]。

在金属纳米颗粒中，银纳米颗粒和金纳米颗粒因出色的抑菌潜力被广泛研究，作为药物的递送载体能够与药物协同抗菌。

2.2 磁性纳米颗粒

磁性纳米颗粒(MNPs)具有合成简单、毒性较低、易于对其进行表面修饰等特点，可用于药物的递送载体、磁热疗法，并在肿瘤治疗中得到了广泛的应用[22]。磁性纳米颗粒可以控制药物的持续释放[23]，也可以通过调整粒径大小和进行表面修饰，使磁性纳米颗粒与抗菌肽的结合物具有更好的治疗效果。

Niemirowicz K等人将抗菌肽(CSA-13)与磁性纳米颗粒结合，发现结合物对铜绿假单胞菌的杀灭效果优于单独使用CSA-13，能够抑制细菌生物被膜的生长，并且抗菌肽能够从磁性纳米颗粒中缓慢且持续的释放[24]。将抗菌肽(LL-37)与磁性纳米颗粒结合，不仅提高了对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的杀灭能力，而且使得药物更好的发挥治疗效果[25]。抗菌肽LL-37和CSA-13与磁性纳米颗粒的结合物，都能够抑制脆弱拟杆菌和痤疮丙酸杆菌生物被膜的合成[26]。

磁性纳米颗粒通常是指铁等本身具有磁性的物质，可以应用在细菌感染的检测和治疗中，其中磁性氧化铁(Fe3O4)纳米颗粒具有很好的应用前景。

2.3 碳纳米管

碳纳米管(CNTs)是由碳原子共价键合而成的圆柱形中空结构，分为单壁纳米管(SWCNT)和多壁纳米管(MWCNT)。碳纳米管的长度和直径起着主要的杀菌作用，其机制可能是机械损伤导致细胞破坏，进一步产生活性氧[27]。多壁碳纳米管是由多层石墨烯组成，层与层之间的间距约为0.34 nm，可用于药物递送。碳纳米管在水中的溶解性较差，分散性较低，生物降解性较差[28]。Kang S等人发现单壁碳纳米管具有更高的抗菌活性，与单壁碳纳米管相比，多壁碳纳米管对人和动物细胞的毒性较小[29]。

Hadidi N等人将聚乙二醇化的单壁碳纳米管作为环孢菌素A的纳米递送载体，能够增强环孢菌素A的稳定性，在体外缓慢释放[30]。Qi X等人通过连接物(聚乙二醇)将抗菌肽(Nisin)与多壁碳纳米管相连，其抗菌活性提高了7倍，对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和枯草芽孢杆菌均有抑制作用[31]。

碳纳米管的载药量大，对细胞膜通透性强，具有杀菌作用，并且体内循环时间较长。

2.4 其他无机纳米材料

除上述介绍的金属纳米颗粒、磁性纳米颗粒和碳纳米管外，介孔二氧化硅纳米颗粒和量子点等无机纳米材料亦被应用于生物医学领域。硒纳米颗粒(SeNPs)具有抗菌作用，产生活性氧机制，能够造成遗传损伤，并在组织间累积[32]。量子点(QD)又称半导体纳米晶，一般由CdTe等半导体材料构成，也可由两种或两种以上的半导体材料构成，具有明显的量子效应、高亮度等独特的光学性质[33]。金银合金纳米颗粒比单独使用一种金属纳米粒具有更强的抗菌活性[32]。

此外，也可以将多种无机纳米材料联合使用作为药物的载体，例如将镀银碳纳米管与抗菌肽偶联后可提高对金黄色葡萄球菌、化脓链球菌、沙门氏菌和大肠埃希氏菌的抗菌活性[34]。碳纳米管和金纳米粒子结合可以增强宿主防御肽(indolicidin)的免疫活性[35]。

不同的无机纳米材料因其结构不同，抑菌作用机理与性质也会不同，将无机纳米材料联合使用通常可以使得药物的抗菌活性增强。

3 有机纳米材料作为抗菌肽的递送载体

有机纳米材料易于制得，并且种类繁多，与抗菌肽结合的选择性也更多，例如脂质体、水凝胶和环糊精等。有机纳米材料具有很好的稳定性、生物相容性、可生物降解性，同时也更具有安全性，对机体的损伤更低。抗菌肽在被有机纳米材料包裹后，能避免蛋白酶的降解，稳定且持续释放，并减少了非特异性递送。一些有机纳米材料(例如壳聚糖纳米粒)与细菌的细胞膜发生静电相互作用，改变细胞膜的通透性[36]，便于药物杀灭细菌。一些有机纳米材料也可以通过光或磁场远程触发药物释放，例如水凝胶与微凝胶等[37]。

3.1 脂质体纳米材料

脂质体是由磷脂组成的单层或多层球形封闭小泡，主要成分是磷脂，其次为胆固醇[38]。脂质体可生物降解，生物相容性好，毒性和免疫原性都很低，特别适合于递送抗菌肽这类两亲性多肽，它们将疏水分子和亲水分子包裹在脂质双层或含水空腔中，能够减缓药物的降解速度，控制其释放，增加对靶点的亲和力[39]。基于脂质的纳米材料有脂质体(liposomes)、固体脂质纳米粒(SLNs)、纳米结构脂质载体(NLCs)和液晶纳米颗粒(LCNPs)等。

蒲传奋等人研究发现抗菌肽(G-K)脂质体对大肠埃希氏菌具有明显的抑菌作用，且药物可缓慢释放[40]。 冯英泉等人用脂质体包裹蟾蜍抗菌肽，分析发现结合物降低了抗菌肽对细胞的毒性，提高了稳定性，能缓慢释放抗菌肽，有效延长了药物对金黄色葡萄球菌、大肠埃希氏菌、铜绿假单胞菌、白色念珠菌的抑菌时间，提高了生物利用度[41]。

脂质体是应用广泛的传递抗微生物药物的有机纳米材料，能够改善抗菌肽的药代动力学和药效学，可以控制和维持药物释放。

3.2 聚合物纳米材料

聚合物是指由多个重复的小分子组成的大分子，包括天然聚合物，如纤维素、壳聚糖等；还有合成的聚合物，如聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚乙二醇(PEG)等。聚合物具有易于制备，稳定性良好，生物降解性与生物相容性等特点，使其在生物医学和食品工业中的广泛应用[42]。

水凝胶是亲水性聚合物链在水环境中通过化学交联或物理交联而成的三维网络结构凝胶，具有溶胀的特点，能够存储大量的水而不被溶解，并且负载多种类型的分子[43]。通过控制水凝胶的形状、大小、含水量可以控制药物的释放速度和剂量[44]。Yang G等人研究了含有抗菌肽(RADA16)的新型水凝胶，结果发现，该结合物能够促进骨间充质干细胞(BMSCs)的增殖并抑制金黄色葡萄球菌的生长，并且可以持续释放抗菌肽到第28天[45]。

聚乳酸-羟基乙酸共聚物是一种纳米级合成聚合物颗粒，可用于药物的递送。Li等人将抗菌肽(KSL-W)负载到PLGA/壳聚糖复合微球(KSL/PLGA/CS-MSs)上，发现可以控制KSL-W的释放，对具核梭杆菌有明显的抗菌作用，且对成骨细胞无细胞毒性[46]。Chereddy K K等人发现与单独使用PLGA或LL37相比，使用PLGA与LL37的结合物可明显加快了创面愈合，促进血管生成，调节炎症反应[47]。

聚合物是一类以天然高分子为基础的抗菌药物载体，制备简单，稳定性好，根据其性能不同具有不同的用途，例如用于外敷和静脉注射等。

3.3 环糊精

环糊精(CD)是由1，4-糖苷键将葡萄糖单元结合形成的环状低聚糖，分为α-环糊精和β-环糊精等，不同类型的环糊精具有不同数量的葡萄糖单元[48]。环糊精为中空结构，具有疏水内腔和亲水表面，这种结构使得其更易形成超分子复合物，提高药物稳定性、生物相容性和溶解性[49]。环糊精已被用于制药、化妆品和食品工业的配方中。抗菌肽的疏水残基可以插入到环糊精的疏水内腔中，使结合物更加稳定的在体内运输。

Li J F等人将β-环糊精(β-CD)与抗菌肽(ABP-CM4)结合，该结合物增强了ABP-CM4的理化性质，但并未降低其抗菌活性。在β-环糊精的保护下，ABP-CM4的稳定性和对蛋白酶的敏感性明显提高[50]。Zhang M K等人将抗菌肽(alamethicin)封装到γ-环糊精中，与单独使用抗菌肽相比，具有更高的溶解度、对温度和pH具有更好的稳定性，以及对李斯特菌具有更好的抗菌活性[51]。

环糊精不具有毒性，在体内可降解，更加安全，对热稳定，廉价易得，是一类较好的药物载体。

3.4 其他有机纳米材料

除上述介绍的几种有机纳米材料外，还有多种有机纳米材料被应用于抗菌肽的递送，如树枝状大分子和核酸适配子等。树枝状大分子(dendrimers)是高度分化的纳米尺寸星形大分子，具有多种分散体系，明确的分子量等特点[52]。树枝状大分子可以通过物理相互作用或化学键合与抗癌、抗炎和抗菌药物结合[53]。核酸适配子(nucleic acid aptamers)，是由20个～80个核苷酸组成的RNA或单链DNA分子，具有独特的三维结构，靶向性强、结合亲和力高、免疫原性低、易于修饰等优点，主要用于靶向治疗、成像和药物递送[54]。核酸适配子在分子和细胞工程等领域得到了广泛的应用，特别是在癌症治疗上的应用[55]。透明质酸(hyaluronan acid)是一种通过糖苷键连接而成的糖胺聚糖，可制备成纳米颗粒递送药物，具有pH响应性，可生物降解[56]。

有机纳米材料各具特色，可以与药物结合，同时携带亲水性和亲脂性药物，用于药物的精准递送，实现可控释放。

4 展望

不同的纳米材料，包括金属纳米颗粒、聚合物、脂质体、树状大分子等，已被用作抗菌肽的递送载体。纳米材料种类繁多，各有特色，尽管抗菌肽与纳米材料的结合物通常具有更好的抗菌活性，对药物进行可控释放，有的还具有生物可降解性，但是纳米材料仍存在一些问题，比如一些纳米材料不够稳定可能会导致包裹的抗菌肽发生泄漏，有的纳米材料具有载药量低、对高温敏感以及生产成本高等缺点；有的纳米材料如金属纳米颗粒在机体内不能被降解，容易聚集在组织和细胞中，由于活性氧的过量产生，导致细胞损伤。对于纳米材料毒性的报道相对较少，一些纳米材料的作用机理也并不是十分清楚。因此，有必要对现有的纳米载体进行深入的研究，改进或设计新的纳米载体，以便更精确的将抗菌肽传递到作用部位，提高药物的治疗效果。