楊瑩瑩馮閃馬隴豫孫夢(mèng)瑤張審劉超群

河南大學(xué)藥學(xué)院，河南開(kāi)封475004

目前，由細(xì)菌引起的感染性疾病，尤其是耐藥菌，已成為全球性重大健康問(wèn)題之一，引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。一項(xiàng)研究[2-3]表明，如果不能控制耐藥菌感染，每年將導(dǎo)致1 000多萬(wàn)患者死亡，損失高達(dá)100 萬(wàn)億美元。為解決細(xì)菌感染帶來(lái)的危害，目前常用的抗菌方法，包括抗生素、重金屬離子、抗菌肽和季銨鹽化合物[4-5]。其中抗生素是一種有效的抗菌藥物，在臨床上有廣泛的應(yīng)用。但抗生素的濫用導(dǎo)致的細(xì)菌耐藥，已成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和人類生存環(huán)境面臨的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題[6]。金屬離子長(zhǎng)期以來(lái)被用作不同形式的殺菌化學(xué)品，并顯示出抗廣譜細(xì)菌的抗菌性能，但是，它們會(huì)對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生毒性[7]?？咕氖且环N新型高效抗菌藥物，但是存在合成困難、純化復(fù)雜、成本高等問(wèn)題，限制了它們的廣泛應(yīng)用[8]。季銨類化合物具有高效、方便的抗菌作用，但長(zhǎng)期使用后也會(huì)引起耐藥性[9]。

基于上述問(wèn)題，利用納米材料及其復(fù)合材料的光處理方法是近年研究的熱點(diǎn)[10-11]。在這些納米材料中，光熱療法(photothermaltherapy，PTT)具有高效的靶向選擇性、遠(yuǎn)程可控性、最小侵襲性及良好的生物安全性等優(yōu)點(diǎn)。此外，PTT 不引起細(xì)菌耐藥性，并且具有廣泛的抗菌譜[12-13]。用于治療細(xì)菌感染的PTT 納米材料有三類:金屬類納米材料[14-15]、碳類納米材料[16-17]、聚合物類納米材料[18]。本文就這三種納米材料的合成原理、抗菌機(jī)理及抗菌領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 金屬類納米材料

金屬類納米材料包括納米金、納米鉑和二硫化鉬等，在近紅外激光照射后，激發(fā)態(tài)通過(guò)非輻射衰變以熱量的形式釋放能量[19]。金屬類納米材料在近紅外窗口的吸收波長(zhǎng)和強(qiáng)度取決于納米材料的形貌和尺寸[20-21]。產(chǎn)生了多種金屬納米結(jié)構(gòu)，如納米棒[22-23]、納米星[24]、納米線[25-26]、納米花[27]等。由于納米金在近紅外窗口具有強(qiáng)烈的局部表面等離子體共振(LSPR)效應(yīng)、可調(diào)控的尺寸和形貌、良好的生物相容性，使其成為金屬類光熱納米材料的代表。Wang[28]等采用中間層轉(zhuǎn)換法制備了包覆在金納米棒上的海膽型Bi2S3，解決半導(dǎo)體Bi2S3快速的光誘導(dǎo)電子空穴復(fù)合和近紅外光的低吸收限制了活性氧的產(chǎn)生和光熱轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Au@Bi2S3核-殼結(jié)構(gòu)的納米材料具有較強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生更多的ROS，通過(guò)光熱效應(yīng)和光動(dòng)力協(xié)同抗菌，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有較好的抗菌活性。

金銀納米材料因其獨(dú)特的光學(xué)特性而備受關(guān)注，由于具有易于表面功能化的優(yōu)點(diǎn)，在成像、給藥和PTT 等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[29-30]。金銀納米材料也被開(kāi)發(fā)為抗菌劑，與光熱效應(yīng)構(gòu)建聯(lián)合抑菌平臺(tái)。Wu[31]等人研究了一種鍍硅的金-銀納米籠(Au-Ag@ SiO2NCs)，在近紅外激光照射下，將金納米材料的光熱效應(yīng)與銀離子的持續(xù)釋放聯(lián)合進(jìn)行抗感染治療。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Au-Ag@SiO2NCs 濃度為50 mg/mL，近紅外光照射10 min 后從20.7 ℃上升到57.4 ℃，具有良好的光熱性質(zhì)。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明制備的納米材料在近紅外激光照射下能有效抑制金黃色葡萄球菌(S.aureus)和大腸桿菌(E.coli)。將SiO2涂層應(yīng)用于金銀納米材料表面，提高其生物相容性，使銀離子的實(shí)現(xiàn)緩釋，體外治療12 h 仍然具有殺菌效果。Qiao[32]等人提出了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的含銅中空納米殼(AuAgCu2ONS)，作為光熱治療劑用于皮膚慢性感染和伴有耐藥細(xì)菌感染的不愈合性角膜炎。光熱性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明AuAgCu2ONS 具有良好的光熱效應(yīng)，光熱轉(zhuǎn)換效率為57%，同時(shí)具有良好的光穩(wěn)定性，在激光照射五次循環(huán)后，光熱轉(zhuǎn)換效率不變。通過(guò)(808 nm，1.5 W/cm2，10 min)近紅外激光照射，用平板計(jì)數(shù)法與ESBLE.coli 和MRSA 孵育來(lái)評(píng)估AuAgCu2ONS 的光熱抗菌性能。結(jié)果表明，AuAgCu2ONS 具有較強(qiáng)的抗菌能力，用26.4 μg/mL 的濃度即可有效殺滅兩種菌株。

二硫化鉬(MoS2)納米片是一種新興的二維材料，它具有優(yōu)異的光熱性能，此外它較大的比表面積可用于負(fù)載藥物。由于其特殊的物理和化學(xué)特性，可應(yīng)用于生物成像[33]、癌癥[34-35]和抗菌[36-37]治療等多種生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。為解決MoS2在緩沖溶液中易聚集現(xiàn)象，Huang[38]等人將帶正電荷的季化殼聚糖對(duì)MoS2納米薄片進(jìn)行改性，制備了含抗生素的聯(lián)合抗菌平臺(tái)。由于抗生素-光熱聯(lián)合治療，通過(guò)體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)表明在適宜的溫度(45 ℃)和低抗生素濃度下抗MRSA 感染。

2 碳類納米材料

碳類納米材料在近紅外區(qū)具有較強(qiáng)的光吸收性和穩(wěn)定性，即使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間照射，其光吸收性能也不會(huì)衰減，所以碳基納米材料在光熱抗菌方面有著廣闊的應(yīng)用前景。主要包括碳納米管、富勒烯、石墨烯和碳量子點(diǎn)等。碳納米管(CNTs)具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，且體積小、表面積大，可與生物分子、細(xì)胞產(chǎn)生獨(dú)特的相互作用，增強(qiáng)傷口敷料的生物活性，促進(jìn)傷口愈合[39]。He[40]等人以N-羧乙基殼聚糖(CEC)和末端苯甲醛F127/碳納米管(PF127/CNT)為基礎(chǔ)，制備了具有優(yōu)異的光熱和導(dǎo)電性能的水凝膠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CNTs 使水凝膠具有光熱特性，可顯著提高其體外/體內(nèi)抗菌活性。在ZOI 試驗(yàn)中，CEC/PF/CNT 水凝膠具有較好的緩釋性能和抗菌活性。通過(guò)小鼠皮膚創(chuàng)面感染模型進(jìn)一步證明，在近紅外激光照射下，CEC/PF/CNT 水凝膠有較強(qiáng)的抗菌作用，促進(jìn)創(chuàng)面愈合。

由于石墨烯具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力、較大的表面積和表面易于修飾的特性，近年來(lái)在光熱抗菌領(lǐng)域得到了廣泛的研究。特別是石墨烯、氧化石墨烯(GO)、還原氧化石墨烯(rGO)等一系列石墨烯類納米材料。Fan[41]等人制備了MOF 衍生摻雜ZnO的石墨烯二維材料，通過(guò)局部大量Zn2+離子穿透、物理切割和熱療殺死，協(xié)同破壞細(xì)菌被膜和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，極低的納米材料濃度具有強(qiáng)大的局部殺菌效果，短時(shí)間的光熱處理，有助于對(duì)皮膚創(chuàng)面進(jìn)行快速、安全的殺菌，不會(huì)損傷正常皮膚組織。

細(xì)菌感染傷口處于低氧微環(huán)境，低氧微環(huán)境不僅能促使細(xì)菌生長(zhǎng)，而且還會(huì)促進(jìn)它們對(duì)藥物和治療方法的耐藥性，從而導(dǎo)致生物膜的形成。臨床上為促進(jìn)細(xì)菌感染傷口的愈合，通過(guò)高壓氧療法來(lái)改善低氧微環(huán)境，將氣態(tài)氧輸送到全身，但對(duì)患者易造成氧中毒、費(fèi)用負(fù)擔(dān)等。載氧載體如微/納米氣泡(MNBs)能夠?qū)⒕植垦鯕廨斔偷降脱跷h(huán)境中，但易出現(xiàn)氧氣未到達(dá)傷口部位而過(guò)早的釋放。Jannesari[42]等人提出還原氧化石墨烯/CuO2納米復(fù)合材料的制備，該復(fù)合材料更易控制氧氣的釋放，且釋放時(shí)間更長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明，將氧化銅(作為氧氣的固體來(lái)源)與還原氧化石墨烯納米片結(jié)合的情況下，通過(guò)局部溫度升高和增多活性氧種類產(chǎn)生廣譜抗菌作用(包括革蘭氏陽(yáng)性金黃色葡萄球菌、革蘭氏陰性大腸桿菌和耐藥MRSA 細(xì)菌)。Yu[11]等人為解決細(xì)菌感染傷口的低氧微環(huán)境抑制光動(dòng)力治療的抗菌效果，提出一種不依賴局部組織氧濃度清除耐藥菌的方法。使用乙二醇?xì)ぞ厶切揎椌鄱喟桶?PDA)包覆的羧基石墨烯納米片(CG)，使其成為水溶性殼聚糖衍生物，將AIBI 作為自由基源，將其負(fù)載材料上。在近紅外光的照射下，PDA@CG 的光熱效應(yīng)使局部溫度升高，導(dǎo)致AIBI 分解生成烷基自由基(R)，造成細(xì)菌損傷。通過(guò)體內(nèi)體外抗菌實(shí)驗(yàn)表明，在常氧和低氧條件下，產(chǎn)生的烷基自由基均具有較強(qiáng)的抗菌效果。

3 聚合物類納米材料

有機(jī)共軛聚合物是一類具有π-π 共軛骨架的大分子，具有制備成本低、尺度易調(diào)控、穩(wěn)定性好、優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力等優(yōu)點(diǎn)，是光熱材料中研究的熱點(diǎn)。Zhou[43]等人提出了一種在近紅外激光照射下由季銨鹽修飾的共軛聚合物同時(shí)具有PDT 和PTT效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了單光源雙光治療的治療方法。共軛聚合物側(cè)鏈上的季銨基團(tuán)與帶負(fù)電荷的細(xì)菌膜相互作用，提高局部抗菌效率，共軛主鏈能同時(shí)產(chǎn)生活性氧(ROS)和熱量，對(duì)細(xì)菌造成損傷。在近紅外光照射(808 nm，1.0 W·cm-2，8 min)，40 μg·mL-1的實(shí)驗(yàn)條件下，共軛聚合物能有效地殺死金黃色葡萄球菌和耐藥大腸桿菌。為能有效殺死白色念珠菌則需更高濃度共軛聚合物。

聚多巴胺(PDA)是貽貝分泌的類似蛋白結(jié)構(gòu)的聚合物，制備方法簡(jiǎn)單、附著力強(qiáng)、生物相容性好，易于修飾于材料表面提高其分散性，也是一種優(yōu)良的光熱材料。Yu[44]等人將聚多巴胺(PDA)包覆氧化鐵納米復(fù)合材料(Fe3O4@ PDA)作為光熱材料，將第三代樹(shù)突狀聚氨基胺(PAMAM-G3)接枝在Fe3O4@PDA 表面，然后將NO 負(fù)載其復(fù)合材料上。將制備的納米復(fù)合材料在近紅外激光照射下表現(xiàn)出可控的NO 釋放性能。光熱效應(yīng)和NO 協(xié)同抗對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，顯著降低了細(xì)菌活力和生物膜生物量。

聚苯胺(PANI)由于亞胺氮原子的摻雜，在近紅外區(qū)有較強(qiáng)的吸收，能夠在近紅外光照下產(chǎn)生大量的熱量來(lái)對(duì)抗細(xì)菌和腫瘤細(xì)胞。Hsiao[45]將PANI接枝在殼聚糖(CS)上作為側(cè)鏈，可以在水環(huán)境中自組裝成膠束，并在局部pH 值升高的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)化為膠體凝膠，這些自摻雜的聚苯胺膠束作為光熱劑，利用近紅外光照射觸發(fā)反應(yīng)。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，復(fù)合材料注射溶液最終分布在酸性膿腫上，遇到健康組織的邊界時(shí)，就會(huì)形成膠體凝膠。由于PANI 側(cè)鏈，膠體凝膠在近紅外光照射下(808 nm，0.5 W/cm2)產(chǎn)生熱療，導(dǎo)致細(xì)菌熱裂解，修復(fù)感染創(chuàng)面而不留下殘留的植入材料。減少對(duì)周圍健康組織不必要的熱損傷。

4 結(jié)語(yǔ)

金屬類、碳類和聚合物類復(fù)合材料的光熱抗菌效果優(yōu)于單獨(dú)使用相同材料的光熱抗菌效果，除產(chǎn)生熱量外，復(fù)合材料還具有某些特性，如酶活性(蛋白酶)、ROS 生成、促進(jìn)離子釋放(銀離子)以及復(fù)合材料表面電荷與細(xì)菌細(xì)胞壁電荷之間的靜電吸引。這些特性與PTT 結(jié)合，有利于破壞細(xì)菌細(xì)胞膜，提高抗菌效果。通過(guò)對(duì)納米材料進(jìn)行修飾，達(dá)到多種治療手段聯(lián)合治療的目的，如光熱和化療聯(lián)合、光熱和光動(dòng)力治療聯(lián)合等。光熱納米材料的發(fā)展為治療耐藥菌引起的感染提供了機(jī)會(huì)，應(yīng)用于臨床仍有許多問(wèn)題需要解決。首要問(wèn)題是生物安全性，盡管文獻(xiàn)中報(bào)道的大部分納米材料沒(méi)有細(xì)胞毒性，但是這些材料是否可生物降解、是否會(huì)引起潛在的毒副作用等問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。