抗菌纳米材料及纳米药物研究进展

邹昕殊，王婷婷，郑思迪，邢 晨，刘艳艳，李艳华，张志云 (东北农业大学 动物医学学院，黑龙江 哈尔滨 150036)

细菌感染是危害畜禽健康的主要问题之一，严重影响养殖业的发展。抗生素是临床细菌感染相关疾病治疗的主要手段[1]，然而由于抗生素在畜牧业的大量使用，细菌通过产生灭活酶[2]、改变细胞膜通透性[3]、药物主动外排[4]及形成生物被膜[5]等多种途径产生耐药性，并促使耐药基因转移传播，使得耐药菌发生率急剧增加，给临床细菌感染相关疾病的治疗带来极大挑战。尤其是近年来，新型抗生素的研发速度已远远赶不上耐药菌株产生的速度，因此开发新型抗菌药物和抗菌治疗策略迫在眉睫。

近年来，纳米材料在解决细菌感染治疗方面表现出巨大的应用潜力。将材料加工到纳米尺度后，比表面积增加，理化性能会发生极大程度的改变，赋予材料特殊的生物活性[6]。根据纳米材料在抗菌过程中所起的作用，可以分为两类：一类是纳米抗菌材料，材料本身具有杀菌或抑菌性质，无需外加抗菌药物便能发挥较好的抗菌作用；另一类是以纳米载药体系为基础的纳米抗菌药物，如脂质体、胶束、纳米粒等。以纳米材料作为抗菌药物的载体，通过增加药物稳定性[7]、促进药物渗透[8]、实现药物控释和靶向作用[9]等，提高抗菌药物使用的有效性和安全性。由于纳米材料往往通过多种机制发挥抗菌作用，因而其引起细菌产生耐药性的倾向较低[10]。因此，本文针对目前研究较多的金属、碳基、阳离子和光调控型纳米抗菌材料和脂质体、胶束、聚合物纳米粒为载体的纳米药物展开综述，以期为临床细菌感染治疗提供借鉴和依据。

1 纳米抗菌材料

1.1 金属纳米抗菌材料多种金属及金属氧化物纳米粒，如银纳米粒(Ag NPs)、铜纳米粒(Cu NPs)、氧化锌纳米粒(ZnO NPs)等，对革兰阳性菌和革兰阴性菌均表现出广谱的抗菌活性[11]。虽然这些金属及氧化物纳米粒的抗菌作用机制尚未完全阐明，但目前认为其主要通过释放金属离子破坏细菌的蛋白质和DNA、产生活性氧(ROS)等多种途径干扰细菌的生理过程、与细菌接触破坏细菌细胞壁/细胞膜的完整性等机制发挥抗菌作用[12]。

1.1.1银系纳米抗菌材料 银是应用最多的金属抗菌材料之一，自银系无机抗菌剂Zeomic开发以来，银系抗菌剂得到了飞速发展[13]。作为广谱抗菌剂，Ag NPs在较低浓度即表现出较好的抗菌效果，并且对多重耐药菌有效。Ag NPs的抗菌活性与粒径、性状和表面性质密切相关[14]。研究发现，更小尺寸的银纳米簇(Ag NCs)较Ag NPs对多重耐药菌具有更好的抗菌活性，其抑菌效果明显优于Ag NPs。质量浓度为6.4 mg/L的Ag NCs对耐药铜绿假单胞菌生长的抑制率大于90%，而相同质量浓度Ag NPs的抑制率仅为62%[15]。Ag NPs易团聚，并且在制备中多使用有机溶剂，限制了其临床应用。近年来，Ag NPs的绿色合成方法快速发展。植物原料中的黄酮和萜类活性分子不仅可以充当还原剂把银离子还原成纳米级的单质银，也可充当稳定剂长期的稳定Ag NPs，并且还可以通过改变反应条件的pH值，调整Ag NPs的形状和尺寸，进而改变其抗菌活性[16]。如姜黄提取物中的水溶性有机物可以将银离子还原成Ag NPs，其对大肠杆菌的最小杀菌浓度(MBC)为50 mg/L[17]。另外，Ag NPs也可以作为抗菌药物的载体，抗菌药物也可以通过本身的羧基/氨基之间的配位键螯合形成Ag NPs，并且螯合物很容易释放银离子与抗生素，两者起到协同抗菌作用。YANG等[18]建立了可同时检测和灭活病原菌的电化学平台，其基于万古霉素对革兰阳性菌的特异识别，该平台不仅对金黄色葡萄球菌具有较高的检测灵敏度，并且可实现万古霉素和Ag NPs的协同杀菌作用。

1.1.2锌系纳米抗菌材料 一般认为，纳米ZnO可以依靠多种机制抗菌，因此不易产生耐药性，其抗菌效果与其尺寸、形貌、表面电荷等性质密切相关[19]。已有研究发现纳米ZnO可以静电吸附到带负电的细菌细胞膜表面，破坏膜的正常结构从而使其失活达到杀菌目的，同时ZnO NPs还会破坏细菌细胞膜的功能，干扰附着在细胞壁上的电子传递链，导致ROS的产生[20]。CAI等[21]合成了不同花状结构的纳米ZnO，其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出较好的抗菌作用。纳米ZnO作用后，细菌结构发生破坏，细胞膜通透性显著增加，导致细胞内容物泄露达到杀菌的效果，并且其抗菌效果具有明显的形态依赖性：花瓣花>梭形花>棒状花。近年来新型绿色生物合成法的发展，赋予了纳米粒更多的形态选择性，而且增加了纳米粒的稳定性和安全性。如BHARATHI等[22]利用植物类黄酮芦丁制备了直径为20～150 nm的壳聚糖修饰的ZnO NPs即CS-ZnO，该纳米粒对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有显著的效果，抑菌圈分别为(22.5±0.5) mm和(25.5±0.5) mm，而芦丁对照组对上述2种病原菌无抑菌作用。

1.1.3铜系纳米抗菌材料 Cu NPs对多重耐药金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌具有较好的抑制作用[23]。纳米铜的抗菌机制同其他纳米金属材料相似，Cu和CuO纳米颗粒进入细菌后可诱导ROS的产生，增加细菌膜的通透性，并且可以促进抗生素耐药基因(ARGs)的水平转移[24]。ZHANG等[25]通过全基因组的蛋白质和RNA序列分析证明了这一观点。当细菌暴露于CuO纳米粒和Cu2+环境下时，与氧化应激、膜通透性和菌毛生成有关基因的蛋白表达水平显著上调。进一步对纳米铜进行表面修饰，可实现与其他治疗方式的联合治疗。如NAIN等[26]合成了修饰牛血清蛋白和光敏剂的铜纳米团簇，不仅降低了纳米铜的毒性，而且通过与光动力疗法的联合治疗，对多重耐药金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(MIC)降低至原来的 1/10左右。

1.2 碳基纳米抗菌材料自2010年报道氧化石墨烯(GO)纳米片对大肠杆菌的抗菌活性以来，基于石墨烯的碳纳米材料在抗菌领域得到了广泛关注[27]。GO是石墨经氧化后剥离出的石墨烯，因强氧化剂的氧化作用而引入多种含氧基团，使GO能够更好地分散于水或其他有机溶剂中，是目前研究的热点[28]。如AUNKOR等[29]采用纸片扩散法证实GO对临床分离耐药大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌等的抑菌效果优于市售抗生素庆大霉素和环丙沙星等。这是因为GO纳米片的锋利边缘可充当“纳米刀”切割细菌细胞膜，使胞内物质泄漏，最终导致细菌死亡[30]。将GO与无机纳米材料、小分子或聚合物进行复合，对GO进行功能化，可进一步提高抗菌效果。杨勇等[31]采用激光诱导法合成了高纯度的硫掺杂激光诱导石墨烯(SLIG)，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为78%和81%，抗菌效果优于石墨烯。但是石墨烯基抗菌纳米材料本身具有一定的细胞毒性[32]，其体内应用受到一定程度的限制。

碳量子点(CQDs)，是最新的碳基纳米材料，毒性较低。与传统石墨烯类纳米材料不同，碳量子点属于零维纳米材料，尺寸极小(<10 nm)，同时在制备过程中易实现与其他元素(氮、硫等)的掺杂，赋予其独特的抗菌特性[33]。LI等[34]通过直接煅烧硫酸庆大霉素制得了一系列CQDs，同硫酸庆大霉素相比具有更高的抗菌活性且不易产生耐药性，并且煅烧温度为180℃时所制备的CQD180能够抑制金黄色葡萄球菌生物被膜的形成，对已形成的生物被膜亦具有清除作用。

1.3 阳离子纳米抗菌材料阳离子聚合物是指结构中含有阳离子基团的聚合物材料的统称，主要包括阳离子表面活性剂、天然和合成的高分子、脂质等。一般认为，阳离子结构可以与细菌电负性的细胞膜静电吸引，进一步与细菌细胞膜中的蛋白质和类脂膜结合，导致细菌细胞膜破裂死亡[35]。壳聚糖是一种天然的具有特殊结构和性质的阳离子聚合物，具有广谱的抗菌活性，在自然界中含量丰富[36]。季铵化的壳聚糖纳米粒不仅可以提高壳聚糖的水溶性，也促进了其抗菌活性的提高[37]。CHEN等[38]合成了含有季铵化甲基咪唑基团的阳离子聚合物，带正电荷的聚合物可选择性的与革兰阳性菌和阴性菌结合，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有良好的抑菌效果。

1.4 光调控抗菌纳米材料

1.4.1光动力疗法 具有光动力效应的纳米材料能在适当光源的照射下产生ROS，利用ROS对细菌的蛋白质、DNA等生物分子的破坏作用杀灭细菌[39]。光动力疗法具有低侵袭性和广谱抗菌性，不需要特定的细菌靶标，细菌不易对其产生耐药性，是最有前景的细菌感染治疗方式之一。然而由于外界光源的限制，光动力疗法一般应用于局部细菌感染的治疗。目前用于光动力治疗的纳米材料主要包括担载光敏剂的纳米载体和本身具有光动力效应的纳米材料。将光敏剂与纳米载体结合可增加光敏剂向细菌及生物被膜的渗透[40]。如WANG等[41]利用纳米二氧化硅担载光敏剂二氢卟吩(Ce6)，增加了光敏剂向MRSA生物被膜内部的渗透，在近红外光照的作用下能有效清除MRSA生物被膜。通过修饰靶向基团，可进一步增加光敏剂在病灶部位的富集，WANG等[42]通过阴离子交换反应制备了pH响应型离子液体Ce6-IL，与引入的SiO2纳米粒子共同构成SiO2-PCe6-IL，在生物被膜形成的酸性环境中，Ce6被质子化释放并富集于生物被膜内部，在近红外光照射下产生ROS进而杀灭MRSA。本身具有光动力的纳米材料既具有光敏剂的光学特性，又结合了纳米材料本身的优势，不需封装在载体内即可通过光动力疗法达到杀菌目的。 NIE等[43]采用一锅法合成了光敏剂CQDs，CQDs光照后与氧能量传递生成1O2，使大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的细胞膜出现一定程度的穿孔与破碎，细菌被1O2灭活。

1.4.2光热疗法 光热疗法是指具有光热转换效果的纳米材料在光照下产生局部高热使细菌蛋白质变性，导致细菌死亡的方法[44]。目前，用于光热抗菌的纳米材料主要包括贵金属纳米材料[45]、碳纳米材料[46]、过渡金属纳米材料[47]和有机染料纳米材料等[48]。这些材料在近红外光(650～950 nm)区具有较高的光热转换效率，可以达到较好的治疗效果。QING等[44]通过纳米沉淀法，利用月桂酸和硬脂酸制备了温度响应型纳米结构(TRN)，在近红外光照射下，含有光敏剂的IR780@TRN对耐药大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有明显杀灭作用，使其细菌菌落减少40%～50%。通过将羧酸甜菜碱基团修饰的聚甲基丙烯酸酯连接在金纳米棒表面，QIAO等[49]制备了pH响应性电荷反转的金纳米棒光敏剂复合体，其可穿透并清除生物被膜，提高了耐药菌的杀灭率，可用于治疗耐药菌引发的细菌感染。

2 抗菌纳米药物

2.1 纳米粒固体脂质纳米粒(SLN)是由天然或合成的高熔点脂质作为骨架材料制备的新型纳米传输体系。SLN具有较好的渗透能力，相对于小分子抗菌药物更易渗透进入细菌膜和生物被膜，从而具有较强的抗菌效果。如 KHATAK等[50]制备了分别担载利福平及吡嗪酰胺的SLN，当纳米粒的粒径小于100 nm时，其对海洋分枝杆菌的抑制效果可达到商业产品的2倍以上。KALHAPURE等[51]针对细菌感染部位酸性微环境，开发了万古霉素输送的pH敏感的SLN用于MRSA的治疗，体内研究表明该体系治疗后感染部位的MRSA残留量降低至原来的1/22，并可有效减少炎症过程[51]。聚合物纳米颗粒的尺寸、表面形貌和电荷均可调节，可以增强对细菌膜和生物被膜的渗透作用。LI等[52]用生物相容性好的表面活性剂F-127、单宁酸(TA)和双胍基聚二甲双胍(PMET)合成了纳米粒FTP NPs，低浓度的纳米粒对生物被膜内细菌的杀灭能力是PMET的100倍，可显著提升药物对被膜内细菌的杀菌效果。另有研究发现，利用壳聚糖纳米粒(CS NPs)、磷脂酰胆碱和庆大霉素合成的纳米给药系统(GPC NPs)，可以渗透到生物被膜中，破坏并清除生物被膜，同时该纳米粒易被巨噬细胞吞噬进一步促进了细菌的杀灭作用[53]。载药纳米粒子还可通过抑制细菌主动外排系统[54]、抑制耐药质粒[55]、破坏细菌膜[56]等多种抗菌机制增强药物对细菌的抗菌效果。

2.2 脂质体脂质体是脂质双层膜形成的封闭囊泡，由于其特殊结构，可同时担载脂溶性及水溶性药物[57]。其中，两性霉素B载药脂质体已被批准商业化生产，用于真菌感染的治疗[58]。作为药物的重要载体，脂质体在提高抗菌药物的药效方面具有巨大潜力，如哌拉西林脂质体对铜绿假单胞菌的MIC值仅是游离的哌拉西林的1/2，并可克服细菌对哌拉西林的耐药性[59]。尽管脂质体的抗菌研究取得了一些进展，但仅以磷脂和胆固醇为材料制备的传统的脂质体易发生融合，导致药物泄露。在脂质体表面引入惰性聚合物分子，如聚乙二醇等，可以极大程度减少脂质体的融合[60]，增加脂质体的稳定性[61]，CHEN等[62]发现在传统脂质体膜材料胆固醇和大豆卵磷脂中引入聚乙二醇-胆固醇琥珀酸单酯后，脂质体可在90 d内保持良好的稳定性。

另外，通过进一步改变脂质体的电荷、引入靶向基团等，可增加药物在靶向部位的蓄积，提高载药脂质体的抑菌效果[63]。为实现协同治疗，提高脂质体的抗菌效率，结合了光热疗法和传统药物疗法的热敏脂质体应运而生。在被MRSA感染致皮肤脓肿小鼠模型的感染部位局部注射同时装载黑磷量子点(BPQDs)和抗生素万古霉素的脂质体，近红外光(NIR)照射后创面明显小于对照组[64]。

2.3 胶束聚合物胶束是利用两亲性二嵌段(或多嵌段)共聚物亲疏水性的差异，在水溶液中自组装形成的亲水基向外、疏水基向内的球状胶体。聚合物纳米胶束作为药物载体可以极大程度改善疏水性药物的生物利用度，实现药物的体内长循环同时减少毒副作用，使其作为新型纳米给药方式，越来越受到生物医学界的关注[65]。为了实现药物在感染部位选择性释放， MAKHATHINI等[66]将油酸基树枝状脂质两性物质自组装成胶束并担载万古霉素，该胶束可实现药物缓释且兼具pH响应性，其在低pH环境下(pH=6.0)对MRSA的MIC值仅为万古霉素的1/8，同时在给药72 h内载药胶束仍有较好的抗菌效果，而单独给药万古霉素时药物则在24 h 内失效，减少了药物的使用频率，从而减少细菌耐药性的产生。为了增强载药胶束对生物被膜的清除作用，LIU等[67]制备了亲水性聚乙二醇和pH响应型聚(β-氨基酯)组成的纳米胶束载药三氯生。该纳米载药胶束可以在酸性条件下靶向生物被膜中带负电荷的细菌表面，实现药物在生物被膜的积累与渗透，并且细菌感染部位高浓度的脂肪酶环境还可降解胶束后释放三氯生进一步发挥其抗菌作用。

3 结语

抗生素在畜牧业中的大量使用导致细菌耐药性问题日益严重，严重危害人类和动物的健康和安全，尤其在当今“减抗”“替抗”的大方针下，寻找治疗耐药菌感染的新疗法势在必行。应用纳米技术解决细菌感染问题是近几年生物医学领域研究的重点方向。我们可以利用纳米材料抗菌优势，针对不同治疗方法制定合理给药方案，减少抗菌药物滥用，从而保障畜牧业的健康发展。