纳米银，又一篇Nature Nanotechnology！
奇物论
2021-06-24
纳米抗菌剂构成了一个价值数十亿美元的产业，而银基配方是迄今为止使用最广泛的。银纳米颗粒（AgNPs）由于其对广谱细菌的功效而有望成为传统抗菌剂（例如抗生素和消毒剂）的替代物。使用任何抗菌剂一个主要挑战是：由于目标微生物产生耐药性，因此会随着时间的推移而降低功效。然而，与传统的抗菌剂不同，细菌对AgNPs 的耐药性及其发生机制的研究是有限的和不确定的。对 Ag(I) 离子的抗性已得到公认，而AgNP抗性在细菌中的进化直到最近才被认识到。目前有许多关于细菌对离子型Ag的抗性的完善报告，其确定通过外排泵消除Ag（I）离子或还原成毒性较低的Ag（0）氧化态作为抗性机制。此外，大肠杆菌的 Ag抗性突变体的细胞膜缺乏外膜孔蛋白，从而降低了对 Ag 的吸收。在过去的 10 年中，很少有关于细菌对重复慢性暴露于亚抑制浓度的 AgNPs 的反应的研究。目前核心问题仍然存在：观察到的细菌耐药性是由 AgNPs、Ag(I) 离子还是这些和其他因素的组合驱动的？回答这个问题是必要的，以确保 AgNPs 有助于对抗而不是助长全球抗菌素耐药性危机，并告知通过设计 AgNPs 逃避耐药性的潜力。鉴于此，匹兹堡大学Leanne M. Gilbertson、Lisa M. Stabryla等人探究了大肠杆菌耐药性的实验演变和遗传稳定性，以响应在一个群体中多次传代反复长期暴露于亚抑制浓度的Ag（I）离子与AgNPs，以及去除压力时赋予的抗性表型的遗传稳定性。成果发表在Nature Nanotechnology上。大肠杆菌对 AgNPs产生耐药性，但对Ag(I)离子不产生耐药性研究结果表明，在反复暴露于亚抑制浓度的 Ag(I) 离子和 AgNPs 后，高运动性和非运动性大肠杆菌菌株的耐药性反应不同。在活动性很强的大肠杆菌中发现了 AgNP抗性并保持稳定，且无法恢复到对AgNP敏感，然而，非活动性大肠杆菌则没有表现出抗性。在高运动性大肠杆菌菌株中发现了cusS的永久性突变，也就是说引起的抗性是可遗传的，并表明了通过增加银离子外排的耐药性的直接机制，银离子外排可能由运动表型共同介导或增强。这些发现提供了对细菌对 AgNPs产生抗性的发展的重要见解，强调了细菌运动的潜在作用。此外，这项研究的发现有望减轻病原性疾病和感染的负担，因为有许多非运动性、临床相关、耐药的细菌菌株是 AgNPs 治疗的潜在目标。疾病控制和预防中心将艰难梭菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌以及各种类型的不运动杆菌和链球菌列为紧急和严重威胁，所有这些都是非活动性的，或者在铜绿假单胞菌的情况下，可能会出现在晚期和慢性感染期间不活动。实验数据表明，AgNPs 可能对非运动菌株有效并保持有效，不会出现耐药性或可能出现延迟性耐药性。粒子聚集会影响粒子-细菌的相互作用，并且已被证明是由实验培养基和细菌产生的蛋白质（例如鞭毛蛋白）引起的。研究结果表明，所有菌株都会诱导相似的聚集行为（即，聚集与菌株敏感性和细菌运动性无关），因此，排除了颗粒聚集对抵抗力的影响，并表明抗性的机制可能会增强或由基于鞭毛的运动性介导。确定细菌运动可能独立于颗粒聚集是一个令人兴奋的结果，因为它指导未来的研究揭示抗性的详细机制。图|通过 UV-vis 和 DLS表征AgNP聚集应该注意的是，即使在没有观察到抗性的情况下，抗性也有可能在更长的时间尺度（例如，超过 20 次传代）或使用多个独立的重复种群时演变。发现这些可能性需要额外的调查。在未来的工作中可能会发现可能的其他抗性机制。此外，还可以通过研究多个重复种群来预测 cusS 突变或其他突变发生的频率以赋予抗性。不同的暴露浓度、暴露时间和其他压力源的存在也会影响耐药性的演变。此外，该研究只探究了一种生长培养基中的一种类型的 AgNP（即一种尺寸、形状和表面配体）；需要进行更多研究以建立广泛结论，以解释依赖于纳米颗粒的生物相互作用和潜在遗传反应的广泛可变性，以及影响悬浮颗粒行为的介质成分和浓度。在活动菌株中观察到的细菌对离子银不存在耐药性，并且暴露于 AgNPs 时耐药性的演变表明纳米颗粒银具有特异性机制，并提供了通过颗粒设计逃避耐药性的机会。因此，特别是对于运动菌株，未来工作的重点可能是设计粒子以在给定的使用条件下最大化功效或设计高生物适应性成本。最后，该研究结果告诫人们不要在消费品（例如洗衣机、纺织品和油漆）中普遍使用 AgNPs，这会导致潜在的人类和环境暴露。为了限制而不是加剧日益增长的全球耐药性挑战，AgNP 的使用应保留用于那些需要抗菌功能的应用，例如在医疗保健部门和耐药细菌会导致危及生命的情况的医疗设备。Stabryla, L.M., Johnston, K.A., Diemler, N.A. et al. Role of bacterial motility in differential resistance mechanisms of silver nanoparticles and silver ions. Nat. Nanotechnol. (2021).https://doi.org/10.1038/s41565-021-00929-w
