馬萬順，崔 燕，趙玉云,鄭文富，張 偉，蔣興宇，張文杰

1.北京林業(yè)大學理學院，北京 100183；2.國家納米科學中心，北京 100190；3.東南大學，南京 210096

納米顆粒抗菌機理的研究進展

馬萬順1,2，崔 燕2,3，趙玉云2,鄭文富2，張 偉2，蔣興宇2，張文杰1

1.北京林業(yè)大學理學院，北京 100183；2.國家納米科學中心，北京 100190；3.東南大學，南京 210096

隨著具有抗菌效應的納米顆粒被大量報道，納米顆粒的抑菌殺菌機理也成為重要的研究領域并取得一定進展，本文綜述了常見納米顆粒作用機理的研究進展。當前大多數(shù)實驗表明，納米顆粒引起細胞膜的破壞是其抗菌抑菌效應的主要原因，結合已有研究，作者提出，納米顆粒抑菌殺菌分為四個階段：同細胞的接觸、與細胞膜的相互作用及對膜的破壞、胞內(nèi)殺菌和細菌死亡。文中重點分析探討了納米顆粒同細菌細胞膜作用過程中一些待解答的基礎性問題。最后通過比較發(fā)現(xiàn)，納米顆粒同抗生素作用方式相異，而與抗菌肽的作用模式相近，細菌對納米顆粒較難產(chǎn)生耐藥性，這對當前治療耐藥菌株的感染有良好的前景。

納米顆粒；抗菌機理；抗生素；抗菌肽

0 引 言

在人類使用抗生素治療傳染病的80年里，多重藥物耐受性菌株大量產(chǎn)生，世界衛(wèi)生組織（WHO）2007年報告，目前70%～90%的痢疾（志賀氏菌屬）、肺炎（肺炎球菌性）、淋病和醫(yī)院感染（金黃色葡萄球菌）對第一代抗生素耐藥，這極大地增加了病人的痛苦和治療費用。具有抑菌抗菌作用的納米顆粒的不斷報道，給醫(yī)療保健領域帶來了曙光，開發(fā)和應用納米抗菌劑使得深入研究納米顆粒的抗菌機理顯得尤為迫切。另一方面，納米顆粒的生物安全和環(huán)境效應正引起環(huán)境衛(wèi)生部門和科學家的廣泛關注[1]。微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的分解者，大量被釋放到環(huán)境中的納米顆粒，將會對人體和其他生物機體，以及環(huán)境中的微生物生態(tài)系統(tǒng)造成怎樣的影響？即納米顆粒的毒性和生態(tài)效應，更需要關注和研究。納米技術是一柄雙刃劍，使人類受益，同時也會有潛在危害，了解納米顆粒的抗菌機理，對于評估其在復雜生態(tài)系統(tǒng)中的風險尤為重要。

目前，人們已經(jīng)開發(fā)了各種各樣的納米顆粒，并詳細表征了它們的物化性質和抗菌活性，以及對哺乳動物細胞的毒性。許多納米顆粒都表現(xiàn)出良好的抗菌性能，且對動物細胞的毒性較低，這些納米顆?？梢宰鳛樾滦偷目咕鷦壳耙延胁糠之a(chǎn)品用于臨床。但對它們抑菌殺菌的微觀分子機制還沒有清晰的描述，甚至對同一種納米顆粒都存在相反的觀點，如，銀納米顆粒[2～6]和C60[7～9]的抗菌活性至今仍有不同的解釋。本文綜述了目前國內(nèi)外對常見納米顆?？咕鷻C理的研究進展，整合了當前人們對納米顆粒抑菌殺菌生化和生物物理過程中的認識，提出納米顆?？咕^程可以分為四個階段，分析了抗菌機理研究中所面臨的難點和基礎性問題，最后將納米顆粒與傳統(tǒng)抗生素類藥物進行對比，分析其作用方式的異同，以促進納米顆?？咕鷻C理進一步研究，同時為理性地設計高抗菌性能產(chǎn)品并更好的規(guī)避納米產(chǎn)品的潛在危險提供指導。

需要說明的是，對于能夠殺滅或是抑制微生物（包括細菌、霉菌、衣原體、立克次體、病毒甚至原生動物）的材料，人們通常都稱為抗菌材料（antimicrobial materials）。這是一種廣義的抗菌概念，比較準確地應該叫“抗微生物”。在本文中，除非特殊說明，一般指其狹義的概念——抗細菌（antibacteria）。

1 抗菌納米材料

納米材料（nanomaterials）至少在一個維度上處于0.1～100 nm范圍內(nèi)。納米顆粒一般為球形或類球形，由數(shù)目極少的原子簇或分子簇組成，是一種介于宏觀塊體和微觀原子/分子之間的介觀系統(tǒng)[1]。在這個尺度范圍內(nèi)的抗菌材料，根據(jù)其來源和作用方式的不同，大致可以分為三種類型：納米化的傳統(tǒng)抗菌材料、無機金屬和金屬氧化物納米顆粒，以及新型表面改性的納米顆粒。

第一類，納米化的傳統(tǒng)抗菌材料。傳統(tǒng)抗菌材料（如抗生素、抗菌肽和殼聚糖等）以納米脂質體和納米粒等形式給藥，可以提高藥物在機體中的傳輸效率，增強藥物的穩(wěn)定性和靶向性，極大拓展了傳統(tǒng)藥物在臨床治療和日常生活中的適用范圍，提高了治療指數(shù)，是目前臨床使用納米抗菌藥物的主要形式。納米化后，藥物的抗菌活性還是依靠自身攜帶的抗菌劑分子。

第二類是無機金屬納米顆粒和金屬氧化物類，以及其摻雜形式的納米顆粒。包括銀（Ag）、銅（Cu）、二氧化鈦（TiO2）、氧化鎂（MgO）、氧化銅（CuO）和氧化鋅（ZnO），以及碲化鎘（CdTe）量子點等。表現(xiàn)出對革蘭氏陰性（G－）和革蘭氏陽性菌（G＋）較強的殺菌性能。

第三類是將富勒烯（C60等）、聚苯乙烯（polystyrene，PS）及其他有機和無機金屬納米顆粒進行表面改性。這些納米顆粒經(jīng)過改性后顯示出抑菌抗菌活性，如，無抗菌活性PS顆粒當表面被引入聚乙胺分子后，則顯示出較強的抗菌活性[10]。

自納米顆?？咕F(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以來，人們就一直從生物學和生物物理學兩個方面進行研究。其中，生物學研究側重表征納米顆?？咕拇笮『蜕锇踩裕镂锢韺W則旨在發(fā)現(xiàn)宏觀生物學效應的分子基礎，為理性地設計高抗菌性能產(chǎn)品和更好的規(guī)避潛在的危險提供指導。納米顆粒抗菌活性的表征通常參考抗生素等標準化的方法進行，但由于各個實驗室使用的菌株和納米顆粒有差異，且同一種納米顆粒也會因合成的工藝方法的差別，在顆粒大小、晶型結構、表面形貌和成分等物性上不同，不同實驗室所得到的結果并不完全一致。三種類型的抗菌納米顆粒中，除第一類的抗菌納米顆?？咕鷻C制相對明確外，后面兩類的抗菌機理都沒有被解釋清楚。表1總結了當前常見的各種具有抗菌效應的納米顆粒在作用機理方面的研究進展。

表1 常見抗菌納米顆粒的作用機理研究進展Table 1 Antibacterial mechanisms of nanoparticles

2 納米顆粒的抑菌過程

目前，納米顆粒的抗菌機制尚未獲得一致的認識，它們同細菌細胞相互作用的動態(tài)過程許多細節(jié)還未清晰地認知，但是借助于眾多的分析工具和研究手段，尤其是電鏡和熒光顯微鏡等可視化手段，結合抗生素、抗生肽和具有抗菌效應的表面研究，已經(jīng)積累了一些認識。根據(jù)已有的這些認識，納米顆粒的抗菌效應可以大致概括為圖1所示的幾種機制，其抑菌的過程可以分為如下四個階段：納米顆粒同細菌的接觸；同細胞膜的相互作用及引起膜的透化；胞內(nèi)殺死階段；細菌死亡。在這四個階段中，隨著納米顆粒和菌株的不同，它們發(fā)生相互作用的方式和結果可能不盡相同，某些情況下納米顆粒與細胞膜發(fā)生相互作用，使細胞膜結構和功能嚴重破壞；而某些情況下抗菌效應可能來自納米顆粒穿膜后對胞內(nèi)成分生物學功能的干擾[20]。

圖1 納米顆?？咕目赡軝C理 ①沉積到細胞表面的納米顆粒干擾細胞膜的功能；②納米顆粒產(chǎn)生的ROS破壞細胞膜的成分和結構；③納米顆粒的穿膜效應引起膜的破壞和內(nèi)容物泄漏；④納米顆粒進入胞內(nèi)干擾或破壞蛋白質和核酸等生命分子的功能。黃色顆粒表示納米顆粒，棕色小顆粒表示納米顆粒釋放的小分子成分Fig.1 Possible models for antibacterial mechanisms ofnanoparticles①Todisturbfunctionsof biomembrane by deposited nanoparticles on bacterial surface;②Disruption of the bacterial cell membrane by ROS produced by nanoparticles;③Disruption of bacterial cellmembraneand leakageofintercellular content by nanoparticlesacrossthemembrane;④Tointerfere intercellular metabolism by disturbed the function of proteins and DNA.The yellow balls denote nanoparticles,and the small brown balls denote molecules released by nanoparticles

2.1 納米顆粒與細胞膜的接觸

在透射電鏡和掃描電鏡照片中，納米顆粒往往吸附在細菌表面（圖1），一些研究者提出，納米顆粒同細菌的接觸是抑菌或殺菌過程的一個必要條件[26]。浮游生長的細菌表面細胞外基質少，納米顆粒同細菌表面接觸機會多，易感性強；而生物膜（biofilms）中存在大量的胞外基質，減少了同納米顆粒的直接接觸，易感性弱。這一定程度上支持該觀點。金屬氧化物等納米顆粒可以產(chǎn)生活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS），其中納米顆粒引起的主要是O2·和OH·，ROS十分活潑，幾乎可以同接觸到的所有生物分子發(fā)生反應，這使得它們的壽命和作用距離都很短。例如，O2·的壽命僅為10－6到10－5s，OH·僅能同周圍的分子反應[17,27]。因此可以認為，只有同細菌接近或者接觸才能使ROS發(fā)揮效應。

關于細菌和納米顆粒的接觸，存在靜電相互作用和受體介導的特異性相互作用兩種觀點，其中靜電相互作用被普遍認可。生理條件下，絕大多數(shù)的細菌表面呈負電性，理論上，帶正電荷的納米顆粒同細菌吸引而吸附，帶負電荷的納米顆粒同細菌排斥。但是研究卻發(fā)現(xiàn)，兩種電荷的納米顆粒都可以吸附到細菌的表面，這可能同納米顆粒表面的電荷測定方法和細菌表面的異質性 (heterogeneity)有關。納米顆粒表面電荷的性質通常用表面電勢 (ζ-電勢)來表示，它受顆粒的表面成分、吸附的離子，以及溶液中的離子種類和強度影響。已報道SiO2NP、FeNP、AgNP、AuNP、TiO2NP、ZnONP等的ζ-電勢受到溶液pH值、離子強度和表面包被成分的影響[26]。在細菌和納米顆?；旌系膹碗s體系中，納米顆粒的ζ-電勢往往已不同于測定值，這時測定值不能反映真實值，這是方法學上的一種局限，雖然該類方法目前仍在廣泛使用。細菌表面整體上呈負電性，但不同區(qū)域所含的分子不同，電荷性質有別，而且同一分子也存在不同電荷的基團，因此納米顆粒可以同細菌表面的異性電荷區(qū)域或基團相互吸引而結合到細菌表面。細菌表面電荷的不同會影響納米顆粒同胞體靜電力的大小，以及對細菌毒性的強弱[28]。通過受體介導的納米顆粒同菌體的結合，見于抗菌肽納米顆粒，如Nisin[22]。Nisin能夠同細胞壁合成的基本前體LipidsⅡ特異性結合，促使G+細菌膜上孔洞的形成，從而對細菌有很強的殺傷力[29]。

2.2 同細胞表面的相互作用及引起膜的透化

電鏡和原子力顯微鏡等可視化手段表明，各種納米顆粒到達細菌表面后往往引起細胞膜產(chǎn)生形貌上的變化（圖2～4展示了部分納米顆粒作用后的細胞形貌），圖2展示了氨基修飾的C60同S.oneidensis MR-1作用時納米顆粒沉積在細菌表面，引起胞體產(chǎn)生無法修補的大孔洞[19]；圖3顯示出ZnONP不但改變了細菌的外部形貌，而且可以穿過細胞膜內(nèi)化到E.coli細胞的胞體內(nèi)[15]；圖4顯示了ZnO顆粒對細胞形貌和完整性的破壞[30]。還有AgNP作用的E.coli細胞膜出現(xiàn)許多凹陷，且大量的AgNP嵌入細菌的細胞膜[31]；CdTe量子點作用于E.coli胞體，使原本相對光滑的表面產(chǎn)生大凹陷，且深度遠大于細胞壁的厚度[20]。熒光染色和酶學等方法也表明，納米顆粒引起了細胞完整性或滲透屏障的破壞直至膜的透化。由于細菌細胞膜在營養(yǎng)物的吸收和分泌物釋放、物質代謝和能量產(chǎn)生，以及細胞的生長分裂等多個生命的基本環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要的作用，細胞膜的完整性和功能的破壞會同時造成內(nèi)容物大量泄漏，因此絕大多數(shù)的研究者都將納米顆粒誘導細菌死亡的直接原因歸結為膜的破壞。膜結構和功能的破壞會導致能量合成受阻，這可能是AgNP等納米顆粒干擾膜蛋白等的合成、加工和正確組裝，以致大量膜蛋白的前體在細胞質中積累的直接原因。

圖2 氨基修飾的C60作用于S.oneidensisMR-1[19]可見納米顆粒沉積在菌體表面并引起胞體產(chǎn)生巨大孔洞Fig.2 NH2-C60caused cell ofS.oneidensisMR-1 to produce holes[19]

圖3 ZnONP內(nèi)化到E.coli細胞胞體內(nèi)的透射電鏡超薄切片圖片[15]Fig.3 The internalization of ZnONP into E.coli[15]

圖4 在紫外線和ZnONP作用下的E.coli的原子力顯微鏡照片[30](A)沒有紫外線和ZnONP，細胞結構完整；(B)紫外線照射下，細胞出現(xiàn)凹陷；紫外線照射在O晶面(C)和Zn晶面(D)，對細菌造成破壞Fig.4 The photos ofE.coliexposed at VU and ZnONP taken by AFM[30](A)No UV and ZnONP，no damage;(B)Exposed in UV,pits appeared；The severe damage of cells,when irradiation on O plane(C)and Zn plane(D)

納米顆粒相對尺度較大，當納米顆粒進入細胞時會嚴重地破壞細胞膜的結構和滲透性。當把一些具有抗菌效應的納米顆粒修飾或者沉積到宏觀材料表面上，這些表面也表現(xiàn)出殺菌抑菌效應[32～34]，或者把一些宏觀材料的表面作同第三類納米抗菌納米顆粒同樣的修飾（如表面修飾一層PEI等）也表現(xiàn)出抗菌效應，因此筆者認為，絕大多數(shù)納米顆粒表面分子或結構對細菌膜的破壞，是殺菌抑菌作用的主要機制。由于納米顆粒有更高的比表面積和更高的藥物負載量，故表現(xiàn)出更高的抗菌效應。

納米顆粒到達細菌表面直至引起細胞膜的透化，是納米顆粒發(fā)揮抗菌效應最重要的過程之一，探討納米顆粒同生物膜相互作用是本領域的基礎性課題。但由于生物膜本身的復雜性和分析手段的局限，這一復雜的生物物理和生化過程還有多個問題未被認識清楚。

其一，納米顆粒在細胞膜上的作用位點，是膜上的蛋白質還是磷脂分子抑或是其他的成分，其專一性如何？金屬氧化物納米顆粒產(chǎn)生的ROS可以氧化膜的多種成分[19]，這些損傷的脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）、磷脂的脂鏈，會從膜上脫落或者引起膜的結構重排和形貌的改變，使細菌膜的滲透性發(fā)生變化，直至出現(xiàn)一些凹陷和孔洞；而對于那些非ROS因素殺菌的納米顆粒，還沒有證據(jù)明確表面納米顆粒的作用位點究竟是磷脂分子層，還是膜蛋白或者其它分子。對G－而言，我們并不清楚致密有序的LPS和磷脂雙分子層同納米顆粒發(fā)生了怎樣的相互作用，而使細胞膜發(fā)生重排乃至溶解、破裂，盡管一些實驗也揭示了納米顆粒同磷脂膜相互作用時磷脂膜的構象和完整性的變化過程[35]。利用支持性脂雙層膜（supported lipid bilayers）發(fā)現(xiàn)，納米顆粒，如聚陽離子化合物（polyethyleneimine和diethylaminoethyl-dextran等）和無機顆粒（Au-NH2，SiO2-NH2），能夠誘導脂膜的破壞，包括形成孔洞、膜變薄或者膜的溶解[36]等一系列相行為的變化。實驗發(fā)現(xiàn)，極性的納米顆?？梢允钩练e在云母表面上的磷脂膜形成1.2～22 nm的孔洞[37]。羧基化修飾的C60可以作用于G+菌，但對G－菌沒有影響，而氨基化的C60則可以引起E.coli和S.oneidensis MR-1這些G－菌的細胞膜滲漏，造成細胞死亡，對于G+菌卻沒有影響[19]，而這兩類細菌在膜結構上，除了肽聚糖層外還在磷脂成分上有著顯著的差別。磷脂成分的不同可能是兩種納米顆粒表現(xiàn)出不同抗菌效應的重要原因之一。另外，納米顆粒表面對細菌表面電荷的中和作用，會干擾膜電勢，影響細胞對一些離子和極性分子的吸收，從而抑制細菌的生長。

其二，表觀抑菌濃度同細菌膜表面閾值濃度的關系，即表面沉積多少納米顆粒才能引起細菌死亡。由于納米顆粒和細菌之間較強的靜電力使吸附速率大于解離速率，因此細菌表面吸附的納米顆粒的濃度往往要大于最初溶液中納米顆粒的濃度，兩者之間的較為精確的數(shù)量關系還有待研究。影響閾濃度的參數(shù)很多,如納米顆粒的類型和顆粒的尺寸，以及表面成分、菌株膜的成分和結構、溶液的環(huán)境等。影響閥濃度的另外一個可能的重要因素是許多細菌細胞膜的膜電位 (Δψ)，推測Δψ牽動著納米顆粒泳向非極性細胞膜環(huán)境，并有效地降低了孔洞形成的能量障礙。

其三，納米顆粒是如何穿過細胞膜的？細菌的超薄切片顯示納米顆粒不但在細胞表面上積累，也可以進入胞體[15](見圖2)，一些研究者還捕捉到納米顆粒正好嵌在細胞膜中這一穿膜過程的“中間態(tài)”。細菌的細胞膜既是屏障又是物質進出的通道，對于各種通道分子而言，納米顆粒尺寸過大，在G－菌的外膜中，孔蛋白 (porins)是外界分子進出胞體的主要通道，但允許通過的一般為小于600 D的分子，幾乎所有的納米顆粒都會因尺寸過大而被“限行”。有研究者[26]曾提出，孔蛋白GspD理論上可以介導直徑為1～9 nm的納米顆粒的進入，但目前還未被證實。原核細胞中會不會存在類似真核細胞的胞吞現(xiàn)象呢？目前未見報道。筆者也分析了已發(fā)表文獻中所附的電鏡照片，未發(fā)現(xiàn)胞內(nèi)的納米顆粒周圍存在典型的內(nèi)陷膜結構。目前，較為合理的推測是，納米顆粒同細菌細胞膜相互作用時，使磷脂膜由規(guī)則的、連續(xù)的凝膠相或液晶相，變?yōu)榈沽窍嗟瓤锥唇Y構這樣的復雜狀態(tài)，甚至大面積破裂，納米顆粒在靜電作用等的牽引下或以布朗運動方式進入胞內(nèi)。

遺憾的是，上述幾個問題的認識還不夠深入。這一方面是由于細胞膜結構的復雜和研究手段的匱乏；另一方面，抗菌納米顆粒的應用相對不足，導致機理研究落后。加之納米顆粒的作用機制會因細菌的特異性、納米顆粒的濃度、微生物細胞膜的生物物理性質等不同而異，而且同一種微生物也可能有幾種不同的作用機制，更增添了認識的難度。因此，需要研究者用多種方法、從不同角度來研究，以期得到更為全面的認識。

2.3 胞內(nèi)殺菌

現(xiàn)在，大多數(shù)的研究者都將納米顆粒引起細菌死亡的主要原因歸結為，納米顆粒破壞了細胞膜的完整性引起膜的透化，但是也不能排除納米顆粒進入細胞和細菌內(nèi)部而與重要的功能分子發(fā)生相互作用，使生長受到抑制。許多的體外實驗表明，納米顆?？梢酝麅?nèi)的多種成分，如DNA和各種蛋白質，發(fā)生相互作用。不過實際情況中，納米顆粒到達胞內(nèi)后能否有效地干擾這些成分的生物學功能，還沒有明確的報道。一些現(xiàn)象則與體外實驗相反，例如，AgNP對E.coli表達的綠色熒光蛋白信號沒有影響[38]，也有研究發(fā)現(xiàn)納米顆粒對細菌的中心代謝系統(tǒng)（如三羧酸循環(huán)）沒有顯著的影響[19]。綜合地推測，納米顆粒在胞內(nèi)可能有如下幾種干擾效應：1）使胞內(nèi)成分發(fā)生絮凝反應；2）抑制細胞壁生成，影響細菌分裂；3）結合到染色體等遺傳物質上，影響染色體的復制和基因的表達，抑制蛋白質等成分合成；4）干擾各種酶促反應，影響代謝反映；5）影響細胞膜生成，抑制隔膜形成。

2.4 細菌的“死亡”

無論是膜結構的破壞還是干擾了內(nèi)部代謝活動，抑或是這幾種效應的累積，細菌的生長繁殖得到抑制，甚至完整的生命結構不復存在了，從宏觀上講，這都是細菌的死亡。

3 納米顆粒與其它抗菌藥物的比較

與抗生素、抗菌肽相比，納米顆粒屬于一種新型的抗菌劑，在提高藥效、降低成本、改善安全性上還有很大的發(fā)展空間?，F(xiàn)階段，納米顆粒產(chǎn)品，多在一些體外殺菌、醫(yī)用材料的表面消毒和日常飲用水處理凈化，以及日用品的表面消毒等方面使用，其中AgNP的應用最為廣泛[39]。表2中比較了納米顆粒、抗生素和抗菌肽的抗菌機制和應用，可以發(fā)現(xiàn)，納米顆粒同抗菌肽在作用方式上有較大的相似性，它們通過干擾破壞細胞膜的功能和結構，從而起到抗菌抑菌的作用。

表2 納米顆粒同抗生素和抗生肽作用機制的比較Table 2 The comparisons among antibacterial nanoparticles,antibiotics and antibacterial peptides

與傳統(tǒng)抗生素相比，納米顆粒的優(yōu)勢之一就是能有效地作用于多重耐藥性菌，原因如下：1)傳統(tǒng)抗生素對細菌的作用靶點通常是單一的蛋白或者蛋白復合物（如青霉素結合蛋白、拓撲異構酶等），而納米顆粒同抗生肽類似，主要是非特異性地作用在細菌細胞膜上，引起膜的破壞；2)作為生命體都有一定的自身保護機制，這種在個體層次或者群體層次上的保護機制即耐藥機制。有研究者發(fā)現(xiàn)細菌也會對納米顆粒的脅迫產(chǎn)生保護機制，例如Liu等[40]發(fā)現(xiàn)細菌所分泌的胞外基質（extracellular polymeric substance），可以明顯地降低氮摻雜的TiO2納米顆粒的殺菌性能。有報道稱nC60存在時，革蘭氏陰性菌P.putida的環(huán)丙烷脂肪酸（cyclopropane fatty acids）量增多，而革蘭氏陽性菌B.subtilis中單不飽和順式或反式分支脂肪酸有所增多，這些變化都會增強細胞膜的穩(wěn)定性[26]，從而利于細菌的生存。由于納米顆粒同抗生肽作用相似，細菌通過變異來完全改變膜的性質從而產(chǎn)生耐藥菌的幾率是比較低的；傳統(tǒng)抗生素的抗藥菌在底于MIC濃度下培養(yǎng)幾代即可產(chǎn)生，耐藥菌產(chǎn)生頻率約為10－7至10－10[29]。納米顆粒同抗生素有較大差異，由于尺寸上的差異，納米顆粒太大，不能像抗生素那樣專一抑制關鍵酶的作用位點而干擾細菌的生長和繁殖，但是它獨特的結構和表面大量特殊基團所產(chǎn)生的效應，可以破壞細胞膜的功能和結構，引起通透性的改變。一些研究者[41]將抗菌肽作用模式形象地稱作割開細胞膜的“分子刀”，那么納米顆粒則像是擲在細菌細胞膜上的一顆顆“分子炸彈”，破壞了細胞膜的結構。

抗生素、抗菌肽和納米顆粒等抗菌劑各有長處和應用范圍，有很強的市場互補性，將來也許會出現(xiàn)綜合這幾類藥物的聯(lián)合抗菌劑，用來治療日益增多的耐藥菌。

3 結語和展望

具有抗菌作用的納米產(chǎn)品的大量開發(fā)和應用，將是促進納米顆?？咕鷻C理研究的推動力。當前的微納米技術，已可以對單個微生物細胞進行跟蹤研究；通過更高分辨率的可視化方法以及其他一些光譜等分析手段，可以實時觀測單個細胞死亡過程中納米顆粒同細胞膜和胞質分子相互作用的分子細節(jié)，為我們認識納米顆粒的生物物理過程提供有利的幫助；日漸成熟的基因組學、蛋白質組學和生物信息學等組學技術的應用，可以揭示納米顆粒對細菌的基因表達、蛋白質合成以及整體新陳代謝產(chǎn)生的干擾。綜合各種手段，全面系統(tǒng)地認識納米顆粒抗菌機理，將會在今后一段時期取得不斷的進步。納米顆?？咕鷻C理的深入認識，將有助于我們設計更高效、更安全的納米顆粒，也可更好地評估和規(guī)避納米顆粒所產(chǎn)生的負面效應。

致謝 感謝國家納米科學中心王黎明博士對文章提出的寶貴意見。

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This work was supported by grants from The National Natural Science Foundation of China(90813032)and National Basic Research Program of China("973"Program)(2009CB930001)

Progress of Antibacterial Mechanisms Study on Nanoparticles

MA Wanshun1,2,CUI Yan2,3,ZHAO Yuyun2,ZHENG Wenfu2,ZHANG Wei2,JIANG Xingyu2,ZHANG Wenjie1
1.School of Science,Beijing Forest University,Beijing 100183;
2.Laboratory of Nanomedicine and Nanobiology,National Center for Nanoscience Technology of China,Beijing 100190;
3.Southeast University,Nanjing 210096

Aug 9,2010 Accepted：Aug 11,2010

ZHANG Weijie,Tel：+86(10)62336098,E-mail：wjzhang@bjfu.edu.cn

An explosive number ofreportson antimicrobial nanoparticleshasnot yet translate into a comprehensive understanding of how these materials affect bacteria at the molecular level of.This review aims to summarize some of these antibacterial mechanisms.We propose that contacts,nanoparticlesmediated disruption of bacterial membranes,interactions between NPs and bacterial components within the membrane and bacteria death,are generally necessary steps in this process.We compare the differences of actions between nanoparticles,antibiotics and antimicrobial peptides.

Nanoparticles；Antibacterial mechanisms；Antibiotics；Antibacterial peptides

2010-08-09；接受日期：2010-08-11

國家自然科學基金項目(90813032)、國家重大科學研究計劃基金項目(2009CB930001)

張文杰，電話：(010)62336098，E-mail：wjzhang@bjfu.edu.cn

R318.08，Q939.92