Hỗ trợ trực tuyến
- 0818118585
Sản phẩm nổi bật
FRIGATE X MEESKIN SPICULE WHITE - SIÊU VI KIM TẠI NHÀ
VIDEO
SO SÁNH NĂNG LỰC DIỆT KHUẨN CỦA ION BẠC VÀ NANO BẠC
17/03/2020 23:30
Anna Kędziora , 1, * Mateusz Speruda , 1 Eva Krzyżewska , 2 Jacek Rybka , 2 Anna Łukowiak , 3 và Gabriela Bugla-Płoskońska 1, *
Bạc được coi là tác nhân kháng khuẩn với phương thức hoạt động nổi tiếng và khả năng kháng vi khuẩn chống lại nó được mô tả rõ. Sự phát triển của công nghệ nano đã cung cấp các phương pháp khác nhau để sửa đổi cấu trúc hóa học và vật lý của bạc, có thể làm tăng khả năng kháng khuẩn của nó. Các tính chất hóa lý của hạt nano bạc và sự tương tác của chúng với các tế bào sống khác biệt đáng kể so với các ion bạc. Hơn nữa, sự đa dạng về hình thức và đặc tính của các hạt nano bạc khác nhau cũng chịu trách nhiệm cho sự khác biệt trong phương thức hoạt động kháng khuẩn của chúng và có lẽ là cơ chế kháng thuốc của vi khuẩn. Bài viết thảo luận chi tiết về các khía cạnh nói trên của hoạt động bạc.
1. Giới thiệu
Các ion bạc là tác nhân kháng khuẩn đã được biết đến từ lâu. Một lịch sử chi tiết về việc sử dụng bạc đã được ghi lại trong tài liệu [ 1 , 2 ]. Các ion bạc từ nitrat bạc hòa tan (lapis, AgNO 3 ) và bạc sulfadiazine là những tác nhân có hiệu quả đã được chứng minh chống lại vi khuẩn Gram dương và Gram âm [ 3 , 4 , 5 , 6 ].
Sự phát triển năng động của công nghệ nano trong những năm gần đây đã mang đến khả năng chế tạo các dạng hạt nano bạc khác nhau (AgNPs) [ 7 ]. Đặc điểm quan trọng nhất của chúng là diện tích bề mặt phát triển cao của các hạt kích thước nhỏ, cho phép tăng hiệu quả kháng khuẩn và khả dụng sinh học của các vật liệu được sử dụng trong ngành sinh học và y sinh [ 8 ]. Chúng ta cũng có thể quan sát một cuộc đua công nghệ nano của các ứng dụng nano [ 7 ] trong lĩnh vực y sinh. Năm 2017 Sheng et al. [ 9] đã xem xét rằng hơn 1000 bài báo liên quan đến tác dụng của hạt nano đối với vi khuẩn và hơn 90% trong số chúng đã được xuất bản sau năm 2008. Hiện nay, ngày càng có nhiều ấn phẩm liên quan đến hoạt động tổng hợp và kháng khuẩn của các hạt nano bạc được xuất bản [ 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 ,30 , 31 , 32 ].
Do đó, mục tiêu chính của bản thảo này là nhấn mạnh sự đa dạng của vật liệu nano bạc, tính đa dạng của chúng trong các tính chất hóa lý và cuối cùng, khả năng tương tác cao với các tế bào khác nhau đặc biệt là với mầm bệnh vi khuẩn. Chúng tôi đã so sánh phương thức hoạt động của các ion bạc và nanocomposite bạc chống lại vi khuẩn (tế bào vi khuẩn gram dương và gram âm), đã phân tích giới hạn sử dụng vật liệu bạc xem xét tính kháng vi khuẩn đối với chúng, xác định lỗ hổng kiến thức và cho thấy viễn cảnh trong tương lai . Lượng bạc tăng lên trong môi trường, có nguồn gốc trong các hoạt động của con người, đặc biệt là các sản phẩm công nghệ nano, gây ô nhiễm không khí, nước và đất. Chúng tôi muốn nhấn mạnh sự khác biệt đáng kể giữa các dạng hạt nano bạc khác nhau không thể được coi là vật liệu giống hệt nhau. Như trong trường hợp các chất diệt khuẩn khác, ranh giới giữa lợi ích và tác dụng độc hại là rất hẹp [33].
2. Tính chất của vật liệu bạc so với hoạt tính kháng khuẩn
Các ion bạc tương đối phản ứng. Sự liên kết của các ion bạc ở dạng kết tủa không hòa tan (AgCl) hoặc trong quá trình tương tác với protein (ví dụ albumin), làm giảm đáng kể hiệu quả kháng khuẩn của nó, rất quan trọng trong trường hợp ứng dụng sinh học Ag + .
AgNP có thể tồn tại dưới dạng bạc kim loại với các nguyên tử liên kết mạnh với nhau [ 34 ]. Các AgNP điển hình thường có đường kính từ vài đến vài chục [ 35 ] và có thể có các hình dạng khác nhau (hình cầu, không đều hoặc phẳng) [ 9 , 20 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 36 , 37 , 38 ] mà phụ thuộc vào các phương pháp sản xuất. Một trong những phương pháp thân thiện với môi trường phổ biến nhất trên nền tảng cao nhất là tổng hợp sinh học, sử dụng tế bào sống của vi khuẩn, nấm và thực vật để thu được các hạt nano bạc [ 9 , 15 ,16 , 17 , 19 , 24 , 27 , 37 , 38 ].
Cần nhấn mạnh rằng AgNP không bao giờ hoạt động một mình do xu hướng tổng hợp của chúng là kết quả của sự tương tác giữa các nguyên tử bạc. Để ngăn chặn sự kết hợp hữu cơ (ví dụ, axit citric) hoặc chất mang vô cơ (chất ổn định, như silica, graphene hoặc titan dioxide) được sử dụng. Từ quan điểm của công nghệ nano, các tính chất hóa lý không bị ảnh hưởng của AgNP (đặc biệt là diện tích bề mặt lớn so với tỷ lệ thể tích) là rất quan trọng để duy trì hiệu quả kháng khuẩn của chúng. Sự đa dạng của các phương pháp tổng hợp (bao gồm cả hóa chất và các thông số phản ứng) xác định sự đa dạng của các tính chất hóa lý của vật liệu nano và hoạt động sinh học của chúng. Trong Bảng 1 , ảnh hưởng của các tính chất vật lý và hóa học quan trọng đến hoạt động đó được thể hiện.
Bảng 1
Nanocompozit (Được đặt tên theo tài liệu tham khảo) | Kích thước hạt nano bạc | Hình dạng hạt nano bạc | Lượng bạc trong Nanocomposites | Hình thức hợp chất (nếu áp dụng) | Loại tổng hợp | Hoạt tính kháng khuẩn | Người giới thiệu |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Hạt nano bạc | 10-15 nm | hình cầu, đa diện | không | không | hóa chất | Tác dụng kháng khuẩn phụ thuộc vào liều dùng. Các hạt nano bạc được thử nghiệm có hiệu quả chống lại vi khuẩn gram âm hơn Gram dương; MoA: liên kết với thành tế bào và thâm nhập vào nó; điều chế tín hiệu tế bào |
[18] |
AgNP | 5-30 nm | biến: hình cầu nhất | không | không | sinh học | Tăng hoạt tính kháng khuẩn của kháng sinh với sự hiện diện của AgNPs; MoA: liên kết với protein (theo nhóm thiol) và DNA |
[19] |
Hạt nano bạc | 39nm (hình cầu), 40 nm (hình tam giác), 133-192nm, đường kính: 16 nm (hình que) | biến: hầu hết hình cầu, hình tam giác, hình que | không | không | hóa chất | Ức chế sự tăng trưởng của Escherichia coli trên môi trường với các hạt nano bạc; MoA: tổn thương màng tế bào vi khuẩn trên nhiều vị trí, hình thành các hố không đều |
[20] |
Nano-Ag | 9,3 ± 2,8nm | hình cầu | không | không | hóa chất | Ức chế sự tăng trưởng của E. coli ở nồng độ 6 -M của Nano-Ag; MoA: thay đổi biểu hiện gen mã hóa protein vỏ (tích lũy tiền chất protein vỏ), làm mất ổn định màng ngoài, rối loạn động lực của proton |
[21] |
Hạt nano bạc | 12nm | hình cầu | không | không | hóa chất | Ức chế sự tăng trưởng của E. coli ở nồng độ hạt nano bạc 50 506060g / mL; MoA: tổn thương màng tế bào, kết hợp các hạt nano bạc vào màng, hình thành các hố, rối loạn tính thấm |
[22] |
Hạt nano bạc | 16 ± 8nm, 21 ± 18 nm | icosah thờ, twinned, decah thờ | không | kết tụ bên trong ma trận carbon | hóa chất | Ức chế sự phát triển của vi khuẩn gram âm và gram dương ở nồng độ 75 μg / mL của hạt nano bạc; MoA: liên kết với màng tế bào, thay đổi tính thấm, rối loạn trong quá trình hô hấp, xâm nhập màng vi khuẩn, tương tác với DNA, giải phóng các ion bạc |
[23] |
Ti / Ag | không được chỉ định | không được chỉ định | 1,93-6,08% [m / m] | nanotexture, rutile, anatase | sinh học | Ức chế sự tăng trưởng của S. aureus (MRSA) và E. coli ở 15 sừng75 MoA: không được chỉ định |
[24] |
Nanosilver / diatomit | 1-20 nm | hạt hình cầu | 0,537% [m / m] | không được chỉ định | hóa chất | 0,5 g nanosilver / diatomite giết chết trên 99% E.coli trong vòng 30 phút; MoA: không được chỉ định |
[25] |
Chitosan-AgNps | 8-28nm | hình cầu | 1% [m / m] | sợi nano chitosan / alginate | hóa chất | Ức chế sự phát triển của E. coli , Klebsiella pneumoniae , Bacillus pumilus và Staphylococcus aureus ; MoA: không được chỉ định |
[26] |
AgNps | 15-160nm (đường kính trung bình 60 ± 10nm) | hình cầu và không đều | không | không được chỉ định | sinh học | Ức chế mầm bệnh multidrug (MDR): Acinetobacter baumannii , E. coli , Pseudomonas aeruginosa và Salmonella enterica ở nồng độ 25 đấm50 đấmg ; MoA: không được chỉ định |
[27] |
GO- l -cys-AgNps | 31,5-42nm (đường kính trung bình 35,34 ± 0,2nm) | hình cầu | không được chỉ định | tấm graphene được chức năng hóa với l -cystein | hóa chất | Ức chế sự tăng trưởng của E. coli MoA: tổn thương màng tế bào |
[28] |
AgNP |
6-26 nm, 4,24-23,22nm |
hình cầu | không | bọt | sinh học | Ức chế sự tăng trưởng của vi khuẩn Gram dương và Gram âm ở nồng độ 676,9 mg / L; MoA: không được chỉ định |
[29] |
NP-NP | 100 nm, 30nm đường kính ,200-300 nm chiều dài | Hình cầu, giống hình que | không | dầu vi nhũ | hóa chất | Ức chế sự tăng trưởng của E. coli và S. aureus ở mức 0,05 mg / L; MoA: không được chỉ định |
[30] |
AgNP | 15nm | hình cầu | không | không | sinh học | Ức chế sự tăng trưởng của E. coli , S. aureus , P. aeruginosa ở mức 50 50g / mL; MoA: không được chỉ định |
[31] |
AgNP | 5 - 40nm | biến: hình cầu hoặc hình que | không | không | sinh học | Tăng hoạt tính kháng khuẩn của ampicillin, erythromycin và chloramphenicol với sự hiện diện của AgNP ( E. coli , Salmonella Typhi, S. aureus , Micrococcus luteus ); MoA: không được chỉ định |
n / a không áp dụng; MoA Chế độ hành động kháng khuẩn của bạc; Hạt nano bạc AgNPs; GO graphene oxit; Đa kháng thuốc MDR; S. aureus kháng MRSA .
3. Chế độ hành động kháng khuẩn của bạc (MoA)
Li et al. [ 39 ] đã chứng minh rằng các ion bạc có chế độ hoạt động tương tự như các hạt nano bạc nhưng hoạt động kháng khuẩn mạnh hơn AgNP.
Hoạt tính kháng khuẩn của các ion bạc (Ag + ) tỷ lệ thuận với nồng độ môi trường của các ion bạc. Do hiệu ứng oligodynamic, bạc cho thấy hiệu quả kháng khuẩn cao ngay cả ở nồng độ thấp. Jung et al. [ 40 ] đã so sánh hoạt động kháng khuẩn của các ion bạc thu được theo nhiều cách khác nhau và cho thấy các ion bạc được tạo ra theo cách điện phân là tác nhân kháng khuẩn tốt hơn so với các chất thu được bằng cách hòa tan các hợp chất bạc.
Phương thức hoạt động kháng khuẩn của các ion bạc được kết nối với: (i) tương tác với lớp vỏ tế bào vi khuẩn (làm mất ổn định màng tế bào Mất ion K + và giảm nồng độ ATP, liên kết với phospholipid), (ii) tương tác với các phân tử bên trong tế bào (ví dụ, axit nucleic và enzyme), (iii) sản xuất các loại oxy phản ứng (ROS) [ 41 ]. Sự tương tác của các ion bạc với màng bên trong vi khuẩn là một trong những cơ chế quan trọng nhất của độc tính Ag + [ 42 ]. Jung et al. [ 40 ] đã chứng minh rằng sự tích lũy Ag +trong lớp vỏ tế bào vi khuẩn được theo sau bởi sự tách màng tế bào chất (CM) khỏi thành tế bào ở cả vi khuẩn Gram dương và Gram âm [ 40 , 43 ]. Sütterlin và cộng sự. [ 41 ] cho thấy nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (MBC) của Ag + đối với vi khuẩn gram dương cao hơn 32 lần so với giá trị MBC đối với tế bào vi khuẩn gram âm. Theo tài liệu tham khảo [ 40 ], các nhóm carboxyl (virutCOOH) trong axit glutamic và nhóm phốt phát trong axit teichoic chủ yếu chịu trách nhiệm liên kết các ion bạc. Mặt khác, Randall et al. [ 44 ] cho rằng thiệt hại do Ag + gây ratrong màng trong (IM) là một trong những cơ chế quan trọng nhất trong tụ cầu khuẩn. Người ta đã chứng minh rằng các ion bạc xâm nhập vào tế bào vi khuẩn trong vòng 30 phút sau khi tiếp xúc và liên kết với các thành phần tế bào chất, protein và axit nucleic [ 40 , 45 ]. Như có thể thấy từ các hình ảnh TEM (kính hiển vi điện tử truyền qua), được hiển thị trong Hình 1 , cả hai loại tế bào vi khuẩn (Gram dương và Gram âm) được xử lý bằng Ag + đều bị phá hủy và có thể quan sát thấy sự rò rỉ của tế bào chất các trường hợp. Jung et al. [ 40 ] cho rằng các ion bạc tạo ra trạng thái hoạt động nhưng không thể điều khiển được (ABNC) trong các tế bào vi khuẩn. Căng thẳng gây ra bởi Ag + gây ra rằng vi khuẩn duy trì sự trao đổi chất và sinh lý nhưng đã ngừng tăng trưởng, do đó số lượng tế bào khả thi giảm trong các thử nghiệm in vitro.
Một trong những cách quan trọng nhất của hoạt động kháng khuẩn bạc là khởi phát sản xuất ROS. Hiệu ứng này trong trường hợp các ion bạc đã được mô tả một phần trong chương này. AgNP gây ra nồng độ hydro peroxide (H 2 O 2 ), superoxide anion (O 2 - •) và gốc hydroxyl (OH •) cao hơn trong tế bào vi khuẩn [ 52 , 58 , 59 ]. Cơ chế chi tiết vẫn chưa được biết rõ nhưng superoxide được dự đoán là ROS chính trong quá trình này [ 52 , 60]. AgNP làm xáo trộn chức năng của chuỗi hô hấp trong tế bào dẫn đến việc tạo ra ROS. Khi mức độ ROS vượt quá khả năng của hệ thống phòng thủ chống oxy hóa tế bào (ví dụ, thông qua sự cạn kiệt của glutathione, GSH và các nhóm sulfhydryl gắn protein và thay đổi hoạt động của các chất chống oxy hóa khác nhau), căng thẳng oxy hóa xảy ra, dẫn đến các cách khác nhau ức chế tăng sinh tế bào. Ramalingam et al. [ 58 ] trong nghiên cứu của họ đã thử nghiệm các AgNP được sinh tổng hợp (9,1 ± 1,6nm). Họ đã chứng minh rằng nồng độ tối thiểu của AgNP cần thiết cho việc tạo ra các loại oxy phản ứng là 1,35 lượngg / mL. Nồng độ AgNP cao hơn dẫn đến sự cạn kiệt của GSH, một chất chống oxy hóa quan trọng trong việc trung hòa các loài gốc tự do. Park và cộng sự. [ 61] tuyên bố rằng anion superoxide là hình thức chính của oxy phản ứng gây chết tế bào vi khuẩn. Hơn nữa, họ đã chứng minh rằng H 2 O 2 không được sản xuất trong tế bào vi khuẩn sau khi tiếp xúc với Ag + . Cơ chế tạo ra hydro peroxide đề cập đến vi khuẩn tiếp xúc với oxy trong khí quyển và hoạt động kháng khuẩn của các hạt nano bạc chống lại vi khuẩn kỵ khí (thiếu oxy) là rất thấp. Điều quan trọng là AgNP có thể tạo ra một thế hệ ROS bổ sung, ngoại sinh. Vì các hạt nano như TiO 2 hoặc ZnO, với diện tích bề mặt lớn và các vị trí xúc tác có khả năng phản ứng cao có thể tạo ra ROS khi có ánh sáng tia cực tím do tính chất xúc tác quang [ 62], cũng không thể loại trừ việc tạo ra quang xúc tác ROS bằng các dạng bạc [ 63 ].
Lok et al. [ 54 ] đã chỉ ra hoạt tính kháng khuẩn cao của AgNP và tuyên bố rằng nồng độ hiệu quả của AgNP và Ag + (trong điều kiện hiếu khí) lần lượt ở mức độ nano và micromol. Rai và cộng sự [ 56 ] xem xét rằng các hạt nano bạc cũng có thể được sử dụng chống lại kháng (MDR) vi khuẩn đa, cả vi khuẩn Gram dương (methicillin-resistant S. aureus -MRSA, Streptococcus pyogenes ) và Gram âm ( E. coli , K. pneumoniae , P . aeruginosa ).
Mandal et al. [ 64 ] đã chứng minh cơ chế phụ thuộc điện tích của hiệu quả của AgNP. Họ nhận thấy tiềm năng Zeta của Enterococcus faecalis , Proteus Vulgaris và AgNP ở mức: −15, −26, −32,2 mV, tương ứng, chứng nhận các tế bào và hạt tích điện tích lũy nhiều hơn và cho thấy tế bào E. faecalis dương tính tích lũy nhiều AgNP hơn Gram âm P. Vulgaris. Sondi et al. [ 22 ] tuyên bố rằng bạc cũng tích điện âm (nanocomposite bạc), so với các ion bạc tích điện dương, cũng cho thấy hiệu quả kháng khuẩn cao.
Vòng đời của hạt nano và nanocomposite có ảnh hưởng quan trọng đến phương thức hoạt động và hiệu quả của thuốc chống vi trùng và phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Gitipour et al. [ 65 ] quan sát thấy rằng AgNP hình cầu (3 Lần5nm), được sử dụng làm chất khử trùng trong nước súc miệng, trải qua quá trình biến đổi (tập hợp) sau khi sử dụng. Đường kính bên trong của AgNP tăng lên đến 50200200nm và sự biến đổi hóa học của AgNP thành AgCl sau khi sử dụng đã được quan sát, điều gì có thể chứng minh sự ion hóa bạc kim loại từ hạt nano thành ion bạc. Biến đổi sinh học của hạt nano bạc tùy thuộc vào điều kiện môi trường thường được quan sát. Mokhena và cộng sự. [ 26] quan sát thấy rằng kích thước và hình dạng của các hạt nano đã thay đổi sau khi làm nóng ở 90 ° C. Sau 3 giờ nung nóng, kích thước của AgNP tăng từ 28 đến 30nm và các hạt hình cầu trở nên không đều: hình dạng của chúng thay đổi từ hình cầu sang hình que. Đun nóng trong 48 giờ dẫn đến một hỗn hợp gồm các hạt giống hình que (76. 121nm) với các hạt nano hình cầu ít hơn (28 Lại50nm). Raman và cộng sự. [ 27 ] chỉ ra rằng trong quá trình sản xuất các hạt nano bạc thân thiện với môi trường, kích thước và hình dạng của chúng phụ thuộc vào pH và nhiệt độ. McGillicuddy et al. [ 66 ] đã báo cáo rằng AgNP được phát hành từ các sản phẩm tiêu dùng ra môi trường trong vòng đời của chúng có các tính chất khác nhau, mặc dù quyết định của chúng là khó khăn.
Lý thuyết về phương thức hoạt động kháng khuẩn của AgNP cũng được kết nối với quá trình oxy hóa AgNP. Nhiều khả năng bề mặt của các hạt nano bạc bị oxy hóa [ 57 ]. Kích thước của các hạt chế tạo càng nhỏ, hàm lượng oxit càng cao do diện tích bề mặt so với tỷ lệ thể tích càng lớn. Sự hiện diện của oxit trên bề mặt đảm bảo hoạt tính kháng khuẩn cao của AgNP, rất có thể là do nồng độ cao hơn của ROS [ 55 ] được tạo ra. Xiu et al. [ 67 ] cho thấy độc tính của AgNP phụ thuộc vào sự hiện diện của O 2và được kết nối với sự giải phóng các ion bạc. Họ đã thử nghiệm AgNP phủ glycol-thiol (PEG) với các kích cỡ khác nhau. Sự hòa tan oxy hóa của AgNP chỉ được quan sát trong điều kiện hiếu khí và lớp phủ PEG không bảo đảm các hạt nano khỏi hiện tượng đó. Trong điều kiện yếm khí, PEG-AgNP được thử nghiệm không cho thấy hoạt tính kháng khuẩn đối với E. coli K-12 do không xuất hiện các ion bạc hòa tan. Xiu et al. [ 67 ] tuyên bố rằng trong số các kích thước và hình dạng khác hoặc lớp phủ AgNP có ảnh hưởng đến mức độ và thời gian giải phóng Ag + vào dung dịch. Nó đã được chứng minh rằng việc phát hành Ag +các ion từ nanosilver trong dung dịch nước tương ứng với khối lượng được lọc hoặc hòa tan của một hoặc hai monolayers bị oxy hóa từ bề mặt của nó tùy thuộc vào kích thước của nanosilver. Hoạt tính kháng khuẩn (chống lại E. coli ) của các hạt nano (kích thước <10nm, trong đó lớp Ag 2 O được loại bỏ), thấp hơn đáng kể so với các hạt được điều chế với bề mặt bị oxy hóa [ 68 ].
Rai và cộng sự [ 56 ] và Durán et al. [ 69 ] báo cáo rằng hiệu quả kháng khuẩn phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, nồng độ và liều lượng sử dụng AgNP. Morones et al. [ 23 ] quan sát thấy hiệu quả cao nhất đối với AgNP với kích thước dưới 10nm. Pal et al. [ 20 ] cho thấy hiệu quả phụ thuộc vào hình dạng của AgNP, kết quả từ diện tích bề mặt khác nhau giữa AgNP hình cầu và hình tam giác, với hình thức sau thể hiện hiệu quả cao hơn nhiều. Sheng et al. [ 9 ] đã xem xét chi tiết về đáp ứng liều của vi khuẩn với AgNP và nhận thấy sự khác biệt cao về nồng độ hiệu quả của các AgNP khác nhau và phản ứng của tế bào khác nhau.
Mỗi nanocompozit có tính chất vật lý (kích thước, hình dạng, số lượng) và hóa học (sự hiện diện của các hợp chất khác, trạng thái oxy hóa) [ 9 , 21 , 28 ] ( Bảng 1 ). Do đó, chúng tôi suy đoán rằng chúng nên được coi là các dạng riêng biệt, với các tính chất khác nhau và các cách khác nhau về độc tính của vi khuẩn. Do đó, phương thức hoạt động của các hạt nano bạc đặc biệt (nanoforms, nanocomposite) có thể là kết quả của cường độ liên kết, loại mục tiêu, thời gian tương tác, mức độ oxy hóa, v.v. Ngoài ra, hợp chất của carrier có thể tăng cường hoạt động kháng khuẩn do thay đổi về các tính chất hóa lý cũng như phương thức hoạt động cơ học (ví dụ, TiO 2ở dạng anatase có cấu trúc quang hóa và cấu trúc dựa trên graphene có thể gây ra thiệt hại cơ học của tế bào, phủ lên vi khuẩn hoặc tăng diện tích bề mặt dẫn đến tương tác mạnh hơn với các tế bào [ 28 , 62 ]. Khi hoạt động sinh học của hạt nano kim loại được xem xét, điều đáng nói là các vật liệu này có thể thay đổi tính chất và độc tính của chúng tùy thuộc vào thời gian và điều kiện bảo quản. Cả hai thông số này, cũng như hóa học bề mặt của AgNP, đều ảnh hưởng đến sự phát triển của các tính chất của hạt nano theo thời gian. Trong khi được lưu trữ, các quá trình khác nhau có thể xảy ra, chẳng hạn như oxy hóa, hòa tan, tích tụ, suy giảm chất đóng nắp hoặc gắn các ion Ag + vào thành bình chứa [ 70]. Tất cả các thay đổi có ảnh hưởng đáng kể đến độc tính của các hạt [ 54 , 70 ] cho thấy các hiệu ứng lão hóa mạnh mẽ. Do đó, kết quả độc tính mâu thuẫn có thể được quan sát trong tài liệu về các AgNP giống hệt nhau chống lại cùng một loại vi khuẩn.
Một so sánh về phương thức hoạt động của các ion bạc và hạt nano bạc chống lại vi khuẩn Gram âm và Gram dương với mô tả tương tác ngắn được trình bày trong Hình 3 .
4. Hạn chế hiện tại và triển vọng tương lai của việc sử dụng vật liệu bạc
Sức đề kháng chung của vi khuẩn đối với kim loại nặng được trình bày trong Hình 4 . Cơ chế chống lại kim loại nặng được kết nối với việc khóa kim loại hấp thu vào tế bào hoặc khử độc kim loại bên trong. Sự đề kháng của vi khuẩn với bạc có thể được chia thành một cơ chế nội sinh và ngoại sinh. Cái đầu tiên (nội sinh) được kết nối với sự mất protein đặc biệt (OmpC / F) và sự điều chỉnh tăng của cơ chế dòng chảy (hệ thống Cus) như là một tác động của đột biến hai điểm sau khi vi khuẩn phơi nhiễm lâu dài (ví dụ E. coli ) thành ion bạc (AgNO 3 ). Cơ chế nội sinh của vi khuẩn kháng các ion bạc đã được chứng minh bởi Randall et al. [ 43]. Họ đã chỉ ra rằng bạc cung cấp áp lực chọn lọc để làm phong phú thêm một quần thể vi khuẩn kháng bạc. Sau 6 ngày tiếp xúc với nồng độ ion bạc dưới tiểu cầu, chủng kháng E. coli BW25113 có thể được chọn.
Cách ngoại sinh được liên kết với các protein Sil nằm trong màng tế bào và chịu trách nhiệm cho dòng ion bạc ra khỏi tế bào vi khuẩn. Mô tả về các cơ chế được đặt bên dưới ( Hình 4 ).
Cơ chế mã hóa nhiễm sắc thể kháng bạc được kết nối chặt chẽ với sự hiện diện của bơm efflux trong màng vi khuẩn [ 43 ]. Do các chức năng của nó, sự tương đồng về trình tự protein, tính đặc hiệu của chất nền và vị trí dưới cơ thể, tất cả các bơm efflux được phân loại thành năm superfamflower: ABC (băng liên kết ATP), MFS (siêu họ hỗ trợ chính), RND (phân chia kháng thuốc), MND (multidrug và đùn hợp chất độc hại) và SMR (đa kháng nhỏ) [ 72 ]. Các bơm của mỗi siêu họ được đề cập đã được tìm thấy trong tế bào vi khuẩn gram âm [ 50]. Những người vận chuyển chịu trách nhiệm cho việc đùn thuốc, chất tẩy rửa, chất diệt khuẩn, thuốc nhuộm và quan trọng là kim loại nặng vào không gian ngoại bào thuộc nhóm siêu phân chia kháng thuốc. Hoạt động của những máy bơm này phụ thuộc vào lực thúc đẩy của proton [ 72 , 73 ]. Những người vận chuyển này có khả năng thu giữ các hợp chất độc hại từ tế bào chất và không gian periplasmic. Bơm RND bao gồm ba tiểu đơn vị: chất vận chuyển liên kết cơ chất (nằm ở màng trong), protein tổng hợp màng periplasmic (MFP) và yếu tố màng ngoài (OMF). Phức hợp hình thành dường như trải dài cả hai màng [ 73 , 74]. Các chất vận chuyển RND có độ đặc hiệu cao đối với các cation độc hại thuộc phân họ HME-RND (dòng chảy kim loại nặng), chẳng hạn như CusCFBA, một trong số ít máy bơm HME-RND, chịu trách nhiệm về khả năng kháng vi khuẩn đối với các ion đồng và bạc [ 75 , 76 , 77 ] .
Operon cusCFBA của một nhiễm sắc thể của vi khuẩn mã hóa hệ thống hoạt động, vận chuyển ngoại bào của Ag (I) và Cu (I) trong đó bao gồm Cusa, CusB, CUSC (protein, tiểu đơn vị của máy bơm RND ra ngoài này) và một chaperone periplasmic, CUSF [ 75 , 78 ]. Sự phiên mã của các gen mã hóa CusCFBA phụ thuộc vào nồng độ ngoại bào của các ion kim loại nặng và sự xuất hiện của operon cusRS . Các operon tập hợp các gen của CusR (bộ điều chỉnh phản ứng) và CusS (histidine kinase) điều chỉnh sự biểu hiện của các thành phần của bơm efflux sau khi phản ứng với chất kích thích [ 79 , 80 ]. Cho đến nay, CusCBA là máy bơm được mã hóa nhiễm sắc thể duy nhất được biết đến chịu trách nhiệm kháng bạc [ 75 ,80].
Chức năng và cấu trúc của từng tiểu đơn vị CusCFBA và CusF được biết đến. Chất vận chuyển liên kết với chất nền, CusA, nằm ở màng bên trong. Homotrimer này bao gồm 1047 axit amin và chứa các chuỗi xoắn ốc 12 màng [ 75 , 76 , 80 ]. Hoạt động của nó phụ thuộc vào lực proton-động lực. Các ion kim loại nặng liên kết với mô-đun ba-methionine (M573, M623, M672) [ 75 , 78 , 79 ] xác định tính đặc hiệu cơ chất của CusA và đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển Ag (I) và Cu (I) trực tiếp từ tế bào chất [ 75 , 76 ]. Bất kỳ đột biến nào của mô típ đó có thể dẫn đến giảm sức đề kháng của vi khuẩn đối với các ion bạc hoặc đồng [ 80]. Khi một chất nền liên kết với mô-típ methionine, hình dạng của CusA thay đổi, mở đường cho phần periplasmic của CusC. Phải nói rằng có nhiều dư lượng methionine hơn trong cấu trúc của CusA. Có ba cặp bên dưới (M410 - M501, M403 - M486, M391 - M1009) và một cặp (M271 - M755) phía trên vị trí liên kết chính trong không gian periplasmic [ 75 , 76 , 78 ]. Những dư lượng đó có thể tham gia vào quá trình vận chuyển từng bước các ion kim loại nặng từ tế bào chất đến phần periplasmic của CusC [ 76 , 78]. Người ta đề xuất rằng CusA có khả năng liên kết các ion đồng và bạc từ không gian periplasmic. Một chức năng tương tự có thể được gán cho CusB, một loại protein tổng hợp màng (379 axit amin). Trong số MFP, CusB có cấu trúc độc đáo. Nó bao gồm hai proton với 3 miền (miền đầu tiên tương tác với phần periplasmic của CusA) và 1 miền xoắn ốc có trách nhiệm cho sự tương tác với CusC. CusB phục vụ như một chuỗi protein liên kết với nhau với các nhà vận chuyển CusA và CusC [ 75 , 78]. Vai trò khác của EclB trong ép đùn Ag (I) và Cu (I) được kết nối chặt chẽ với CusF. Nó là một chaperone periplasmic với cấu trúc 5-thùng gồm ba dải β-antiparallel 3 sợi. Nó chỉ được sản xuất với sự có mặt của các ion kim loại nặng. Nó liên kết các ion bạc và đồng với các vị trí hai methionine hoặc hai cystein và vận chuyển chúng đến CusB, điều này kích hoạt những thay đổi nhanh chóng và có thể đảo ngược về hình dạng của CusA [ 75 , 79 , 80]. Trong bước tiếp theo, CusF sẽ cung cấp trực tiếp Ag (I) hoặc Cu (I) cho CusA, nơi các ion sẽ được đùn vào CusC (457 axit amin). Yếu tố màng ngoài đó của CusCFBA, là một homotrimer hình trụ được hình thành từ ba tiểu đơn vị có cấu trúc α / barrel-thùng, sẽ đưa các ion kim loại nặng thẳng vào môi trường ngoại bào [ 75 , 79 ].
Năm 1975, S. Typhimurium đã gây ra cái chết của một số bệnh nhân từ khoa bỏng của Bệnh viện Đa khoa Massachusetts. Tác nhân gây bệnh được phân lập có khả năng kháng bạc do sự hiện diện của một plasmid 180 kb, được gọi là pMG101 [ 81 , 82 ]. Plasmid pMG101 xác định tính kháng vi khuẩn đối với các kim loại nặng (Hg, Ag), Tellurite và một vài loại kháng sinh. Cloramphenicol, streptomycin, tetracycline và ampicillin [ 43 , 83 ]. Vùng cụ thể của plasmid pMG101 liên quan đến tính kháng bạc, chứa chín gen mã hóa protein Sil được tập hợp thành ba đơn vị phiên mã: silRS , silE và silCFBAGP (mỗi gen được điều khiển bởi một chất xúc tiến riêng biệt) [43 , 84 ]. Chức năng của SilG vẫn chưa được biết đến, phần còn lại của các protein Sil được đặc trưng do sự tương đồng của chúng với các cơ chế kháng thuốc khác, ví dụ, CusCFBA [ 43 , 81 ]. Một số gen sil đã được xác định trong một chi vi khuẩn khác, chẳng hạn như Enterobacter , Klebsiella , Escherichia , Pseudomonas hoặc MRSA [ 84 ].
Sự giống nhau về trình tự protein giữa CusCFBA và SilCFBA đạt tới 80% [ 84 ]. Trong cơ chế ngoại sinh kháng Ag (I), bơm efflux ba bên được chế tạo từ SilA, SilB và SilC [ 43 ]. Chức năng của các protein này tương đồng với vai trò của các thành phần hệ thống. SilA tồn tại dưới dạng chất vận chuyển liên kết cơ chất IM, chịu trách nhiệm cho sự hấp thu các ion bạc từ tế bào chất. SilB, như một protein tổng hợp màng, kết hợp với nhau các thành phần của bơm và SilC, nằm trong OM, các phễu thu giữ các ion vào môi trường ngoại bào [ 82 , 83 ]. Phiên âm của silgen được thực hiện bởi một hệ thống quy định hai thành phần. Nó bao gồm histidine kinase màng SilS protein và bộ điều chỉnh phản ứng (SilR). Hai thành phần này là tương đồng của các sản phẩm được mã hóa bởi operon CusRS [ 44 , 82 ]. Trong cơ chế kháng bạc được xác định bởi các protein Sil, có hai người đi kèm periplasmic là SilF và SilE. SilE là một tương đồng α-helix của PcoE (điểm nhận dạng chuỗi: 48%), một loại protein có khả năng liên kết các ion đồng từ không gian periplasmic. Do sự hiện diện của dư lượng methionine và histidine trong cấu trúc của nó, SilE có thể liên kết tám ion bạc. SilF, một cấu trúc tương đồng sheet tờ của CusF, chỉ có thể liên kết với một Ag + [ 81 , 83]. Chức năng của hai người đi kèm này khác nhau đáng kể: SilE có liên quan đến sự hấp thu các ion bạc từ không gian periplasmic, trong khi SilF thu giữ Ag (I) vào bên trong từ không gian ngoại bào [ 43 , 81 ]. Cả hai người đi kèm đều giao hàng cho SilCBA. Gen sil cuối cùng trên pMG101 mã hóa màng trong P loại ATP-ase. Protein này vận chuyển các ion bạc từ tế bào chất đến không gian periplasmic, trong đó Ag + sẽ bị ràng buộc bởi SilE [ 84 ]. Một so sánh về cơ chế kháng ngoại sinh và nội sinh đối với các ion bạc ở vi khuẩn gram âm được trình bày trong Hình 5 .
Rõ ràng, tình trạng kháng bạc không xảy ra rộng rãi ở vi khuẩn gram dương, đặc biệt là ở tụ cầu khuẩn. Mặc dù MIC của Ag + cho S. aureus được ước tính trong khoảng từ 16 đến 32 59g / mL [ 41 , 85 ], không có chủng kháng thuốc nào được chọn trong thời gian dài (42 ngày) đối với các ion bạc trong 876 chủng S. aureus [ 85 ]. Điều rất thú vị là tình trạng kháng kháng sinh xảy ra thường xuyên và thường trong vòng vài ngày (ví dụ, với tần số 3 × 10 6 đối với fusacid) [ 85 ]. Do đó, các ion bạc vẫn là một tác nhân đầy hứa hẹn trong phòng ngừa và điều trị nhiễm trùng do S. aureus . Loh et al. [ 85] đã kiểm tra mức độ phổ biến của các gen sil trong 36 (33 chủng MRSA và 3 chủng MR-CNS ( S. aureus âm tính kháng methycilin ) được phân lập từ các vết thương và nguồn mũi ở người và động vật. Họ chỉ ra silE chỉ ở 2 trong số 33 và 1 trong 3 chủng. Đây Sile gen là một tương đồng trong 95-100% xuống còn Sile gen nằm trên pMG101 plasmid của vi khuẩn Gram âm. Có thể là gen silE không được biểu hiện trong các tế bào đó [ 85 ]. Điều thú vị là thời gian tử vong do MRSA silE dương tính dài hơn 16 lần so với MRSA silE -negative . Sütterlin và cộng sự. [ 41] Cũng đã chứng minh rằng không ai trong số các thử nghiệm S. aureus là sil dương tính, không kháng phát triển để bạc sau khi tiếp xúc với băng bạc dựa phẫu thuật (thời gian điều trị: 2-14 tháng).
5. Tóm tắt và kết luận
Chúng tôi đã trình bày những điểm tương đồng và khác biệt trong phương thức hoạt động của bạc đối với vi khuẩn Gram dương và Gram âm. Chúng tôi nhận thấy một lỗ hổng kiến thức về cơ chế phân tử của vi khuẩn, cả Gram dương và Gram âm, với các hạt nano bạc. Nếu chúng ta giả sử rằng các hạt nano bạc là nguồn ion bạc, thì có thể cơ chế phân tử của vi khuẩn kháng thuốc tương tự như cơ chế được mô tả cho Ag +. Nếu có một cách khác về độc tính kháng khuẩn của hạt nano bạc, thì có khả năng các cơ chế kháng khác nhau đối với hạt nano bạc tồn tại đối với cả vi khuẩn Gram âm và Gram dương. Sự đa dạng của các sợi nano bạc khiến cho mọi sản phẩm có hạt nano bạc phải được coi là một hợp chất có tính chất hóa lý khác nhau, phương thức hoạt động khác nhau và cơ chế kháng thuốc khác nhau.
Sự nhìn nhận
Bài báo được hỗ trợ một phần bởi: tài trợ của Trung tâm Khoa học Quốc gia 2017/01 / X / NZ1 / 00765, khoản tài trợ đặc biệt của Bộ Khoa học và Giáo dục Trung học để thực hiện công việc nghiên cứu hoặc phát triển và các nhiệm vụ liên quan đến sự phát triển của trẻ. các nhà khoa học và tiến sĩ tham gia 0420/1394/16. Ấn phẩm cũng được hỗ trợ bởi Trung tâm Công nghệ sinh học Wrocław, chương trình Trung tâm nghiên cứu quốc gia hàng đầu (KNOW, Krajowy Narodowy Ośrodek Wiodący) cho năm 2014 2014. Các cơ quan tài trợ không có vai trò trực tiếp trong việc tiến hành nghiên cứu, thu thập, quản lý, giải thích dữ liệu, chuẩn bị hoặc phê duyệt bản thảo.
Các từ viết tắt
ABC | ATP-binding cassette |
ABNC | Trạng thái hoạt động nhưng không khó khăn |
AgNP | Hạt nano bạc |
ATP | Adenosine triphosphate |
CM | Màng tế bào chất |
DNA | Axit deoxyribonucleic |
ĐI | Ôxít graphene |
GSH | Glutathione |
HME | Dòng chảy kim loại nặng |
IM | Màng trong |
NGƯỜI BẠN ĐỜI | Ép đùn đa hợp chất và độc hại |
MBC | Nồng độ diệt khuẩn tối thiểu |
MDR | Đa kháng |
MFP | Protein tổng hợp màng periplasmic |
MFS | Người hỗ trợ chính |
MIC | Nồng độ ức chế tối thiểu |
MoA | Chế độ kháng khuẩn của bạc |
MR-CNS | S. aureus kháng coyculase kháng methycilin |
MRSA | Kháng methicillin S. aureus |
không | Không áp dụng |
GIỚI THIỆU | Màng ngoài |
OMF | Yếu tố màng ngoài |
OMP | Protein màng ngoài |
Ô 2 - • | Anion superoxide |
OH• | Gốc hydroxyl |
CỌC | Polyetylen glycol |
RND | Phân chia kháng chiến |
lời khen ngợi | Loài oxy phản ứng |
SMR | Kháng đa kháng nhỏ |
TEM | Kính hiển vi điện tử |