陳飛飛 陳芳艷 王葉云 鐘楊生 林健榮 李文楚

摘要 納米銀作為一種新型材料，在國際上被廣泛應用在醫(yī)學、食品、化工和通訊等領域。納米銀具有其他材料所不具備的優(yōu)點，其中廣譜的抗菌性和病菌對其無耐藥性的影響尤為顯著。納米銀破壞細菌的細胞壁和細胞膜，進入細菌細胞質(zhì)后又通過一系列作用來影響細菌代謝和DNA的復制等，最終達到滅菌的效果。對納米銀的滅菌機制和應用進行了綜述，闡述納米銀在滅菌過程中的一些作用機制，并對納米銀的抗菌性研究前景進行了展望。

關鍵詞 納米銀；細胞壁；細胞膜；細菌代謝；DNA

中圖分類號 S23 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）09-028-03

Abstract As a new type of material， nanosilver is widely used in medicine， food， chemical industry and communication. Nanosilver has advantages that other materials do not have， broad spectrum of antibacterial ability and nonresistance of bacteria is particularly significant.Nanosilver can destroy bacteria cell wall and cell membrane， after entering bacterial cytoplasm and through a series of action to affect bacteria metabolism and DNA replication， eventually achieve the sterilization effect. The sterilization mechanism and application of nanosilver was reviewed， several action mechanisms in sterilization process were elaborated， and the antibacterial research prospect of nanosilver was forecasted.

Key words Nanosilver； Cell wall； Cell membrane； Bacterial metabolism； DNA

納米技術一直是21世紀研究的熱點，被應用到各個領域。其中，納米銀是納米技術的一種產(chǎn)物，是金屬銀粒徑在納米水平上的單質(zhì)，具有良好的導電、催化和防腐抗菌等作用，因此被廣泛應用到工程、工業(yè)、食品和醫(yī)學等領域中[1-2]。從納米銀被發(fā)現(xiàn)至今，已有大量試驗證明納米銀具有極大的比表面積、小尺寸效應和量子尺寸效應，同時具有廣譜抗菌性和細菌對其無耐藥性的優(yōu)點[3-6]，具有其他材料無法比擬的抗菌活性，并且對一些真菌、病毒等也有較強的殺滅作用[7-8]。鑒于納米銀有如此多的優(yōu)點，因此納米銀作為一種新型材料，被廣泛開發(fā)應用，使得國內(nèi)外人們廣泛接觸到納米銀產(chǎn)品。據(jù)報道稱，納米銀對人類健康和環(huán)境存在很大的威脅，引起科研人員對納米銀材料安全性的關注，近些年對納米銀毒性研究報道的較多，有關體外試驗表明納米銀針對各器官產(chǎn)生毒性[9]。ZHANG T等[10]在細胞水平上對納米銀的潛在毒性進行了討論。為了評定納米銀的毒性問題，許多研究方法應運而生，但大多數(shù)只是形態(tài)學的測定，很少有從整體上進行測定，因此目前不能全面評定納米銀的安全性[11]。在生物科學和醫(yī)學研究中，由于納米銀是一種稀有的無機殺菌材料，并且極少量具有很強的滅菌作用[12]，所以納米銀的抗菌性至今仍是重點研究對象。研究納米銀的滅菌機理對進一步開發(fā)和有效的利用納米銀具有重要的指導意義。筆者在細胞水平上對納米銀滅菌機制進行了綜述，以期為納米銀的滅菌機理研究及其進一步開發(fā)利用等提供一些參考。

1 納米銀的滅菌機制

1.1 納米銀直接損傷細菌細胞壁和細胞膜

當納米銀接近細菌時，細菌細胞產(chǎn)生的一種物質(zhì)—胞外聚合物，它能夠減少納米銀表面的銀離子和抵抗其滅菌活力[13]。王靜等[14]在納米銀溶膠作用大腸桿菌試驗中，透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)有些大腸桿菌破損溶解和胞內(nèi)物質(zhì)流出，說明納米銀對大腸桿菌細胞壁和細胞膜有一定作用。革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的細胞壁結(jié)構不同，所以納米銀對不同類型細菌的細胞壁作用效果不同[15]。Kim Jun Sung等[16]研究表明低濃度的納米銀對酵母菌和大腸桿菌有明顯的抑制作用，但對金黃色葡萄球菌的抑制作用不明顯。Li W等[17]研究表明金黃色葡萄球菌在50 μg/mL納米銀溶液中暴露12 h后細胞壁破裂，細胞內(nèi)容物被釋放出來，高濃度的納米銀對革蘭氏陽性菌才有效果，說明相同濃度的納米銀對革蘭氏陰性菌的效果更好。另外，納米銀與細菌細胞壁上肽聚糖結(jié)合，形成不可逆化合物，使氧氣和物質(zhì)不能轉(zhuǎn)入細菌細胞，使得細菌死亡[18]。

納米銀穿過大腸桿菌細胞壁后與細胞膜接觸，銀表面的自由基會攻擊膜脂質(zhì)，能夠破壞細胞膜結(jié)構和功能，打亂細胞的離子轉(zhuǎn)運體系，從而影響了細胞膜的通透性，導致細菌細胞的滲透壓升高，使細胞膜破裂[16，19-20]。一定濃度的納米銀可以在大腸桿菌細胞膜上發(fā)生膜囊泡溶解和分散，也可以破壞或抑制細胞膜上的酶活性，從而導致大腸桿菌死亡[21]。納米銀也可能破壞磷脂雙分子層，改變細胞膜的通透性，使得細菌死亡。由此可見，納米銀直接破壞細胞壁和細胞膜可能是滅菌的一種重要機制，具體有待進一步研究。

1.2 納米銀對細菌代謝的影響

當納米銀嵌入細胞膜，則釋放銀離子，破壞細菌細胞膜的通透性，使得細胞內(nèi)的大量無機鹽、蛋白質(zhì)和還原糖外漏，影響跨膜運輸，破壞了細菌細胞與細胞通信、細胞與外界的代謝系統(tǒng)，降低細胞生長速度[22-24]。由于納米銀小尺寸效應等特征，從而能夠輕易地進入細菌細胞，但對細胞代謝的影響受納米銀還是銀離子的作用尚不清楚。在細胞內(nèi)，有關試驗已經(jīng)證實含有納米顆粒的熱敏凝膠能夠與損害的細菌細胞質(zhì)凝結(jié)[15]，納米銀通過調(diào)節(jié)酪氨酸磷酸化來干擾細胞信號通路，對細胞活力和分裂有重要作用，影響細菌細胞的代謝[25]。

研究表明，銀離子可能與巰基有密切關系[26]，納米銀周圍釋放的銀離子也可能與細菌體內(nèi)的含有巰基的酶結(jié)合，從而使那些以巰基為必需基團的酶失去活性，如納米銀能夠誘使大腸桿菌呼吸鏈上脫氫酶降低活性，并且隨著納米銀濃度的升高，脫氫酶活性就越來越低[21]。由此可見，納米銀與呼吸鏈上面酶結(jié)合，使酶失去活性，抑制三磷酸腺苷（ATP）形成和呼吸作用，使得細菌不能獲得能量而死亡；也可能與蛋白質(zhì)三維結(jié)構中的二硫鍵結(jié)合，阻斷蛋白質(zhì)的正常生理活性，從而抑制細胞新陳代謝，達到滅菌效果[27]。納米銀能夠使得線粒體膜電位下降，造成線粒體功能明顯下降，沉積到線粒體中，產(chǎn)生大量的活性氧（ROS），誘導氧化應激反應，損害細胞中的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)體[11，28-30]，因此納米銀可能損害一些真菌細胞中的細胞器（如葉綠體、核糖體等），抑制細胞內(nèi)的代謝，從而抑制菌體的繁殖生長。此外，納米銀也可以作用糖和脂肪抑制細菌代謝。

1.3 納米銀對遺傳物質(zhì)DNA的影響

大量研究表明，滅菌過程中納米銀對DNA有影響，但其作用機制尚不清楚。有關試驗采用切片法進行研究，透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)納米銀通過大腸桿菌細胞質(zhì)，進而攻擊細胞核質(zhì)[14]，由此可見在滅菌過程中納米銀可能通過核膜，對細胞核內(nèi)有重要的影響，但是一般納米銀很難通過核膜。普遍認為，納米銀對DNA損傷存在2種方式：①納米銀損壞核膜，使細胞核破裂直接作用于DNA；②納米銀使溶酶體破裂，脫氧核糖核苷酸酶釋放進入細胞核，間接作用于DNA，使得DNA雙鏈斷裂[11，29]。此外，細胞內(nèi)高水平的活性氧也可能損壞DNA[30]。劉鵬鵬等[31]研究發(fā)現(xiàn)在PCR體系納米銀可能抑制DNA合成，主要可能是因為其對模板、引物和聚合酶的強吸附作用。只有隨機分布在核區(qū)松散的DNA才能進行自我復制和轉(zhuǎn)錄，經(jīng)過納米銀顆粒處理的大腸桿菌使DNA降解或者使DNA濃縮呈現(xiàn)緊張狀態(tài)，DNA失去自我復制和轉(zhuǎn)錄成mRNA的能力[32-34]。在紅細胞中，納米銀也可能誘導RNA聚合酶聚合失去活性，從而阻礙DNA的轉(zhuǎn)錄[35]。納米銀也可能通過與DNA堿基結(jié)合，從而破壞了嘌呤和嘧啶相鄰氮之間的氫鍵，使DNA變性，無法正常復制，達到滅菌的效果[36]。納米銀對病菌DNA的作用比較復雜，需要進一步試驗研究。

2 納米銀的應用

在古代，人們利用銀器存放食物和使用銀針檢測食物毒性，近代人們已經(jīng)知道這些現(xiàn)象是由于銀離子具有較強的抗菌性?，F(xiàn)代科學技術使銀被納米化具有更強的抗菌性，并且納米銀比銀離子更穩(wěn)定，因此被人們應用在多個領域。在醫(yī)學上，由于納米銀具有極大的比表面積，能夠釋放大量的銀離子，具有防止感染和加快愈合的效果，從而被用作醫(yī)用敷料[37-39]，并且納米銀抗菌敷料對燒傷的傷口有特別好的效果[40]。變異鏈球菌是一種致齲菌，而納米銀對唾液鏈球菌和變異鏈球菌有很好的抗性，并且未發(fā)現(xiàn)其耐藥性，因此可以取代氟化物作為新興的防齲劑[41-42]。另外，納米銀也已經(jīng)應用在婦科炎癥治療、外形整容手術和醫(yī)療器械中。在食品中，納米材料聚合物作為一種新型的食品包裝材料，具有取代傳統(tǒng)的包裝材料的趨勢[43]，因為食品包裝材料必須具有以下功能：阻礙微生物污染、保鮮等作用；防止水分、氧氣、二氧化碳和其他揮發(fā)性物質(zhì)的滲透；具有一些基本的光學、熱性能和機械的基本屬性；對環(huán)境無污染[44-45]。在日常生活用品中，有一些由納米銀制成的棉織物紡織品被應用，因其具有良好的物理、化學和抗菌性，廣受人們喜愛[46]。為了獲得干凈安全的飲用水，人們必須用一些消毒劑進行處理，而現(xiàn)今人們可以利用納米銀材料制作濾膜裝置，可以達到純化飲用水的效果，且更為方便和安全[47]，也可以利用納米銀制成新型的消毒劑[48]，有很好的消毒效果，尚未發(fā)現(xiàn)對其環(huán)境有影響[49]。鑒于納米銀的廣譜滅菌性，市場上已經(jīng)出現(xiàn)許多相關產(chǎn)品，比如保鮮膜、抗菌涂料和計生用品等一系列生活用品。

3 小結(jié)與展望

納米銀的出現(xiàn)僅僅十多年，人們已經(jīng)對其抗菌性做了大量的試驗研究，主要是在形態(tài)、尺寸和劑量進行研究，但是對其滅菌機理還未完全了解。納米銀能夠同細菌細胞壁上的肽聚糖作用，在細胞壁上產(chǎn)生小孔并且穿過去，它周圍的銀離子所帶的正電荷與細胞膜上的負電荷相結(jié)合，作用于細胞膜，改變了細胞膜的流動性和滲透性等；也可以通過細胞膜進入細胞質(zhì)，直接攻擊細胞器，也可使酶失去活性，還可以通過其他方式來破壞細菌細胞代謝；攻擊細菌的DNA，使細菌失去繁殖和生成蛋白質(zhì)的能力。納米銀通過以上3種方式作用細菌細胞，從而達到滅菌的效果。此外，納米銀殺死細菌后可以沉淀下來，再次被利用殺菌，可達到保護環(huán)境的作用。

目前，病菌對藥物的抗性是研究熱點之一，而病菌對納米銀無耐藥性，使得納米銀仍然是個熱門的滅菌材料。對納米銀的滅菌機制尚未了解清楚，對許多細菌、真菌和病毒都有一定的作用，但還尚未發(fā)現(xiàn)其對微孢子蟲的作用研究，可以在這方面做一些研究。納米銀除了可以殺死病菌外，也可以引起病菌衰老、變異等作用，深入研究其殺菌抗病毒機制有利于拓展納米銀的使用范圍，可能成為禁用抗生素后的新一代抗菌藥物。近年來，人們越來越關注納米銀的安全性，必須確保納米銀長期應用沒有副作用，可見對其毒性研究非常重要。

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