纳米银的抗菌机制及其生物安全性的研究进展

赵永彬(综述),赵亚群(审校)

(解放军第三〇九医院神经外科，北京 100094)



纳米银的抗菌机制及其生物安全性的研究进展

赵永彬△(综述),赵亚群※(审校)

(解放军第三〇九医院神经外科，北京 100094)

摘要：细菌耐药性的增强以及科技的快速发展，使得对于新型抗菌材料的研究日益增多，尤其是对纳米银颗粒的研究。纳米银材料具有抗菌谱广、抗菌性强以及不产生耐药性等优点，在临床医学中的应用也越来越广泛，涉及到临床多个专科。但对于纳米银抗菌机制的研究却相对滞后，至今仍未完全阐明。而且已有研究发现，新型纳米银材料也有一定的毒性，不恰当的或过量的使用会导致银毒性的产生，危及身体健康。

关键词：纳米银；抗菌机制；临床应用；生物安全性

银系抗菌材料的使用可以追溯到16世纪，中国古代医家李时珍在《本草纲目》便指出“银屑，安五脏，定心神，止惊悸，除邪气，久服可轻身”。银被广泛用于促进伤口愈合，防止感染，净化水质及保存食物等方面[1]。但在20世纪由于抗生素的问世，银的抗菌研究却被人们所忽视。近年来，随着科技的发展及其细菌耐药性的增加使得对银的抗菌作用研究增多，尤其是纳米银粒子。纳米银粒子的性能归功于其特有的纳米结构性质，使其具有抗菌谱广、抗菌性强且无耐药性。作为最具吸引力的纳米材料之一，纳米银已广泛被应用于生物医学，包括诊断、治疗、医疗器械涂层等[2]，但其基础性研究却相对滞后，抗菌机制以及安全性却并未完全阐明。现就现阶段纳米银的抗菌机制、生物安全性以及在医学中的应用加以综述。

1纳米银的抗菌机制及抗菌作用

纳米银的抗菌机制虽未被彻底阐明，多数学者认为其抗菌性能主要与银离子有关[3-6]。但纳米银的抗菌性能却比银离子更强，说明纳米银与普通银离子在抗菌方面有着不可超越的独特的优势。Dibrov等[4]认为，纳米银与银离子的区别在于其有效浓度的不同，纳米银是在纳摩尔水平，而银离子是在微摩尔水平。纳米银粒子直径通常在1～100 nm[5]，其原子排列介于固体与分子之间，而且纳米银比表面积大，这种明显的表面效应与小尺寸效应使得其具有特殊的化学、物理和生物功能，抗菌能力增强，较一般粒子更加容易进入病原体并将其杀死[6]，而且在稳定性、催化性、生物高利用性方面有着显著的特异性，是一种具有长效型和高效稳定性的新型抗菌材料。

一般来说，纳米银的杀菌机制可能有如下几点。①损伤细菌的DNA[7]，纳米银能破坏细菌DNA的结构，并能与之结合替换碱基对相邻氮之间的氢键，使之复制停滞[8]。另外，纳米银粒子还可促进细菌DNA在核区的浓缩，并使DNA在体内的降解增加[9]，从而失去其复制的能力。②中断细胞信号转导[10]。Shrivastava等[8]发现，经过纳米银粒子作用后的细菌在细胞信号转导时中断，原因是磷酸酪氨酸在参与蛋白质形成时被去磷酸化。③活性氧自由基的破坏作用。纳米银会诱导产生超氧化物自由基[11]，进而导致细胞的氧化应激、细胞膜破坏。Pal等[12]发现，纳米银诱导细菌产生的活性氧与羟自由基可最终杀死细菌。④对细菌蛋白的破坏作用[8]，使脱氢酶活性丧失，特别是一些关键酶，对其细胞代谢产生负性影响。纳米银的小尺寸效应可以使其进入细菌并与细菌内蛋白的巯基结合，破坏一些含巯基基团的酶。经纳米银作用后，大肠埃希菌呼吸链中具有活性的脱氢酶比率明显下降，且纳米银浓度越高，活性比率越低，进而造成细菌不能获得相应能量，最终死亡。⑤与细胞壁的肽聚糖和质膜作用[13]，产生更多的包膜蛋白前体，进而损伤细胞膜，造成内容物的泄露，而且纳米银颗粒还能穿透细菌细胞壁，造成细胞膜的结构变化和增加细胞渗透率，导致细胞死亡。电镜观察显示，被纳米银作用后的菌体细胞膜损伤严重，细胞膜上产生许多孔洞，细胞膜的通透性被破坏，使大量的糖、蛋白质以及大量新陈代谢所必需的物质从菌体内泄露，造成菌体的死亡。Shrivastava等[8]用透射电镜仔细观察了纳米银与细菌作用的过程：起初纳米银成簇的吸附于细胞壁上，吸附位点可能为带负电荷的功能团，随后纳米银进入菌体，并在细胞膜上形成孔洞。谢小保等[9]也有类似的发现，纳米银粒子在细胞壁上产生小孔并通过这些小孔导致内容物流出和细胞膜的损伤。

纳米银作为一种天然抗菌材料，抗菌谱很广。有文献指出，纳米银能杀死的细菌种类达650种之多，包括革兰阳性菌、革兰阴性菌、真菌、病毒等各种微生物[14]。Cuin等[15]通过利用银的4种不同化合物测定了银抗结核杆菌的最低抑菌浓度，并指出羟基羧酸银复合体具有较强的抗结核杆菌的作用。国内也有类似的研究，通过对纳米银溶液对结核杆菌抑菌浓度的测定，指出相同作用时间下，纳米银浓度越高，抑菌率也就越高。Alexandros等[16]研究了对于牙体植入时表面涂以纳米银涂层可以有效抑制细菌生物膜的生长以减少细菌的黏附，抑菌率达到99.5%，而氯己定涂层则没有抑菌作用。钟金栋等[17]通过材料固体表面涂布实验表明，在37 ℃，>5.7 μg/cm2的纳米银材料作用1 h对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌抑制率均>95%，通过载体浸泡实验，在>100 mg/L的溶液中，纳米银材料1 h对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌抑制率均>95%。对于纳米银的抗病毒[2]作用现如今已被观察到的抗病毒类型包括人类免疫缺陷病毒、乙型肝炎病毒、呼吸道合胞病毒、单纯疱疹病毒1型以及猴痘病毒等。

2纳米银的临床应用

迄今为止，已有很多纳米银材料应用于临床，如纳米银抗菌凝胶、纳米银敷料、纳米银心血管支架、纳米银导管、纳米银骨水泥等，且已广泛应用到外科、妇产科等临床各个领域。纳米银敷料是采用纳米技术，将纳米银粒子加入医用常规敷料而获得的一种新型抗感染敷料，广泛应用于浅Ⅱ度、深Ⅱ度创面及残余创面，能明显减轻创面局部感染，愈合时间较银离子组及空白对照组明显缩短[18]。Niu等[19]将含有纳米银的二氧化硅复合到交联壳聚糖上获得新型复合材料，对大肠埃希菌及金黄色葡萄球菌具有明显的抑制作用。钱敏[20]将120例宫颈糜烂患者随机分组，分别为纳米银凝胶组与对照组(即传统治疗宫颈糜烂的药物)各60例，进行了临床对比研究，结果显示，纳米银凝胶组和对照组患者治疗痊愈率分别 75.00%和 31.67%，有效率分别为 91.67%和 40.00%，纳米银凝胶组对宫颈糜烂的治疗痊愈率显著高于对照组(P<0.05)，且未见明显不良反应，表明纳米银凝胶能有效提高治愈率和有效率。Magalhaes等[21]研究报道在牙髓病填充材料中混入纳米银可以有效地预防链球菌，金黄色葡萄球菌以及肠球菌。Furno等[22]研究在骨科内固定术或人工关节置换术时，在这些置入性材料的表面涂上一层含有纳米银的血浆蛋白膜，基于纳米银的缓慢释放作用，具有长效抑菌作用，术后感染率明显降低。Lackner等[23]通过临床对比试验将行脑室外引流术的导管经纳米银涂层后与未处理的导管作为对照发现，19个接受纳米银涂层导管的患者没有显示出导管相关性脑室炎，并且脑脊液培养为阴性而对照组中的5例患者则显示发生了导管相关性脑室炎。

3纳米银的生物安全性研究

生理上，银并不属于人体所需的微量元素，但由于各种原因使人们或多或少地能接触到了一些微量银离子，通过检测可以发现人体内有质量浓度<213 μg/L银的存在。临床上所使用含银的敷料或导管等也会进入人体，银可以沉积于人体各个部位，包括皮肤、大脑、肝、肾、胃、肺[24]，而且纳米银可透过胎盘屏障传给后代[25]。Shinji等[26]通过动物实验证明，纳米银粒子通过呼吸道进入肺部以后能在动物体内其他系统如循环、消化和血液系统中检测到银的存在，这说明纳米银能在体内全身分布。研究表明，口服纳米银后会对体内多个系统产生毒性作用，包括呼吸系统、消化系统、神经系统、免疫系统等[27]。 Hadrup等[27]总结了已报道的通过动物试验证明的纳米银相关毒性作用，包括死亡、体质量下降、活动性降低、神经递质的改变、肝酶的改变、心脏增大、免疫损伤等。纳米银的吸入性口毒试验表明，SD大鼠暴露于低浓度纳米银中28 d后有毒性反应的产生。Sung等[28]研究表明，给予大鼠连续90 d直径为18 nm的纳米银粒子后，肺部发生了相应的炎症表现并伴有肺功能的损伤。Shahare和Yashpal等[29]研究了在给予小鼠每日20 mg/kg的纳米银连续21 d后，会出现肠腺上皮细胞的损害。Hadrup等[30]通过对小鼠连续每日口服以2.25 mg/kg浓度的纳米银颗粒后，小鼠的神经递质发生了一个明显改变。Trop等[31]报道了纳米银敷料可引起肝功能的损害以及银中毒的相应表现，患者使用敷料第6日，脸部发生变色现象，皮肤呈浅灰色，嘴唇呈灰蓝色，而且排除其他相关因素，推测变色以及肝功能的损害为银中毒的可能性比较大。另外，也有人报道了纳米银可以对胚胎产生致畸的作用，使得胚胎发育异常。Yeo等[32]研究了在水相环境下纳米银粒子对斑马鱼胚胎孵化及致畸的影响，发现斑马鱼胚胎的孵化率明显减弱，孵化的斑马鱼可出现脊索异常、心脏跳动减弱、尾部弯曲变形等相关表现，推测纳米银颗粒可对胚胎的DNA造成损害并最终引起胚胎发育的异常。

4小结

纳米银独特的优点使纳米银在医学中的应用越来越广泛，极大地降低了患者的感染风险以及应对滥用抗生素所带来的麻烦。但纳米银的优点不止局限于此，纳米银粒子在抗肿瘤方面也有一定作用[33]，并可用于肿瘤的诊断和治疗[34]，可以充当杀死肿瘤的武器。另外，也有研究发现，纳米银还具有一定的抗炎作用[35-36]和抗血管生成的作用[6]。这些研究极大地扩大了纳米银的应用前景，可以研究出更多的新型纳米银材料，但是，纳米银带来的诸多问题也应引起我们足够的重视。

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Progress in Research on Antibacterial Mechanism and Biological Safety of Silver NanoparticlesZHAOYong-bin,ZHAOYa-qun.(DeparmentofNeurosurgery,PLA309thHospital，Beijing100094，China)

Abstract:Along with the increasing bacterial drug resistance and the rapid development of science and technology,the research of new antibacterial material is increasing,especially the silver nanoparticles.Silver nanomaterial has wide antimicrobial spectrum,and strong antimicrobial properties as well as the advantages of no drug-resistance,so its application in clinical medicine is becoming more and more wide,involving many clinical specialties.However,the research of its antibacterial mechanism is relatively limited,and has not been fully elucidated.Studies have also found that new silver nanomaterial has certain toxicity,and improper or excessive use can result in silver toxicity and endanger the health.

Key words:Silver nanoparticles; Antimicrobial mechanism; Clinical application; Biological safety

收稿日期：2014-12-01修回日期：2015-03-06编辑：相丹峰

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.20.033

中图分类号：R651.1

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)20-3735-03