南科大蒋兴宇ACS Nano综述：制造超级细菌的“天敌”，探索金纳米材料抵抗耐药细菌的潜力

抗生素与耐药细菌感染

长期以来，细菌感染时刻威胁着全世界的人类健康。而抗生素作为对抗细菌有力武器，其滥用现象直接造成了严重的细菌耐药性问题。此外，全球人口的密切交流也使得病原体能够很容易地从自然界进入人类社会。事实上，到2025年，每年死于耐药细菌感染的人数将从70万上升到1000万。然而，新型抗生素的开发周期相当长，远远落后于超级细菌演化步伐。因此，探索强效抗菌剂是当务之急，刻不容缓。

超级细菌的出现威胁着抗生素的疗效（来源：网络）

纳米抗生素

除了一般的抗生素，许多纳米材料也被证明具有优良的抗菌性能，可用于治疗耐药细菌感染。这些纳米抗生素包括银纳米颗粒（NPs）、金纳米颗粒、锌纳米颗粒、铜纳米颗粒、TiO 2纳米颗粒等。这些抗菌纳米材料通过影响细菌细胞膜的完整性、释放抗菌金属离子、生成活性氧（ROS）、抑制酶活性和DNA合成、中断能量传递等机制发挥其抗菌作用。此外，研究显示这些抗菌纳米材料诱导耐药性出现的频率非常低。因此，在抗生素耐药性时代，随着研究和开发的增加，纳米材料有望成为治疗细菌感染的主流。

基于金纳米材料的抗菌剂

近期，南方科技大学蒋兴宇教授等人发表了最新的综述文章，系统全面地介绍了使用金纳米材料对抗耐药细菌的策略。该综述重点阐述了金纳米材料的表面化学、尺寸和形状等物理化学因素对其抗菌性能的影响，并描述了金纳米材料在医疗器械中的抗菌应用。最后，作者还讨论了此类材料在未来研究中还存在的挑战以及可能的发展方向。相关综述文章以“Deploying Gold Nanomaterials in Combating Multi-Drug-Resistant Bacteria”为题发表在ACS Nano。

【文章要点】

一、金纳米材料的性能优势

在具有抗菌功能的纳米材料中，金纳米材料因其高抗病原体功效和生物相容性而被广泛用作抗菌和抗病毒药物。金纳米材料作为抗菌剂的优点包括：（1）金纳米材料具有良好的生物安全性——金本身具有化学惰性，金纳米材料的体内消除/代谢可以通过材料设计进行调节；（2） 通过用不同的分子修饰材料表面，金纳米材料可以对尺寸、形状、表面组成等性质进行化学控制以最大限度地发挥抗菌功效；（3） 研究显示金纳米材料诱导细菌耐药性的频率较低。

图1作为抗菌剂的金纳米材料及其在医学器件和疾病治疗方面的应用

二、金纳米材料抗菌性能的优化策略

为了优化金纳米材料的抗菌性能，对纳米材料表面进行功能化至关重要。其中，抗生素改性金纳米材料是比较常用的策略。利用金纳米材料的多价效应和纳米级特性，研究人员可将金纳米颗粒与临床使用的抗生素结合起来，以促进抗生素和细菌之间的相互作用。同时，除了发挥对治疗细菌的协同作用外，此类策略还可以增强抗生素的抗菌性能。此外，研究人员也筛选了一些没有抗菌功效的分子（非抗生素）来修饰金纳米材料，同样可以达到治疗细菌感染的目的。

图2表面功能化金纳米材料的抗菌性能

三、调节金纳米材料抗菌性能

抗菌纳米材料可分为广谱和窄谱纳米抗生素。广谱抗生素主要用于治疗未知病原菌，但过度使用这些抗生素会迫使细菌获得广谱耐药性。一旦病原菌被确定，窄谱抗生素是首选的特定杀菌剂。目前，研究人员正致力于揭示纳米结构与抗菌功效之间的关系，以期利用这些结构-活性关系（SAR）来预测和调整潜在纳米抗生素的抗菌谱。金纳米材料的抗菌性能取决于其表面性质和核心结构，因此纳米材料的配体、电荷、尺寸和形状均会严重影响材料抗菌性能。

图3影响金纳米材料抗菌性能的因素

结论:尽管抗生素耐药性令人担忧，但抗生素仍是治疗细菌感染的主要药物。联合使用多种抗生素是拓宽抗生素抗菌谱、提高抗菌效果和抗击耐药感染的有效策略。将抗生素和金属纳米材料结合可以降低抗生素和纳米材料对细菌的作用剂量，并进一步降低材料毒性。

对于抗菌免疫来说，纳米技术的使用有望强化免疫调节，以控制和预防许多疾病。与传统方法相比，具有固有毒素中和和免疫增强能力的纳米颗粒平台具有更高的安全性和更有效的毒素或抗原特异性消除。以金纳米材料为例，一方面，金纳米材料可以装载肽、多糖或类毒素等抗原，以提高疫苗的装载率和有效性；另一方面，金纳米材料可以用作免疫佐剂，通过刺激抗原呈递细胞和提供抗原的受控释放来激活免疫细胞和提高疫苗的有效性。因此，金纳米材料是细菌相关疾病免疫治疗的理想候选材料。

尽管前景巨大，但我们也应该注意到，金基纳米抗生素在临床转化应用方面仍然存在挑战。未来的工作还需要对这些纳米材料的具体抗菌作用机制和安全性进行深入研究。这一过程非常复杂，需要微生物学、免疫学、生物材料、病理学、毒理学、药理学和纳米技术的跨学科整合。然而，金纳米材料在治疗细菌感染的策略中具有重要价值，因此作者期望进一步的研究将拓宽金纳米材料的抗菌应用领域，并加速其转化为临床应用。

文献链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c02269

来源：高分子科学前沿

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