納米顆粒(NPs)由于其特殊的物理和化學性質，目前已經(jīng)被廣泛地應用于殺菌和腫瘤治療等生物醫(yī)藥領域。對于粒徑較小的NPs (<10 nm)，人們普遍認可的殺菌機理是，NPs通過移位在細菌細胞膜上形成不可修復的孔洞，導致細菌變形和死亡。然而科學家們對于較大粒徑NPs的殺菌機制依然無法達成統(tǒng)一，主要原因在于不同條件下所使用的濃度、尺寸、物理和化學性質等參數(shù)的迥異性。
近日，皇家墨爾本理工大學 Elena P. Ivanova教授團隊將理論和實踐相結合，首次提出了適用于“非跨膜” NPs的膜張力殺菌機制：細胞膜與所吸附的NPs 之間的相互作用造成膜張力的增加和脂質雙分子層的坍塌和變形，導致細菌機械死亡。該項工作以題為“Antibacterial Action of Nanoparticles by Lethal Stretching of Bacterial Cell Membranes”發(fā)表在《Advanced Materials》上。為了評估團簇和單個納米粒子對菌膜彈性層拉伸的影響，作者綜合考量不同粒子的吸附面積、拉伸和壓縮自由能、張力、粒子尺寸以及密度等相關變量，建立了適用于粒徑較大的NPs的生物物理模型（圖1）。正如作者所預期的，菌膜拉伸隨著團簇粒徑和密度的增加而增加，當達到菌膜極限時，單獨一個大的團簇足以使得膜破裂。圖2. AuNSPs和AuNSTs吸附在脂質雙分子層上。作者分別以模擬的脂質雙分子層和細菌細胞膜作為實驗模型，便于更直觀地觀察菌膜吸附AuNPs的過程。首先分別制備了親水性、疏水性準球形(AuNSPs)和星形(AuNSTs) NPs，尺寸約為100 nm，并深入探討了此類“非跨膜”NPs的殺菌機制與尺寸、形貌和表面電荷的關系。如圖2所示，在油相中將脂質夾在兩水相間制成類似三明治結構的脂質雙分子層，其面積隨著AuNSPs的粘附而減小，而AuNSTs僅吸附在脂質-油/水界面處，其中，雙分子層張力和接觸角隨著AuNSPs的粘附顯著增加，據(jù)此可證明AuNSPs已經(jīng)吸附在脂質雙分子層上。圖3. AuNSPs和AuNSTs對格蘭仕陽、陰性菌抗菌性能表征。其次作者考察了AuNPs親/疏水性、濃度、殺菌動力學以及形貌對抗菌性能的影響。由于AuNSPs對細菌親和力的差異，其抗菌活性隨親水性增加而增加，隨疏水性增加而減?。▓D3），而AuNSTs抗菌活性略差，并且其表明功能化對抗菌性能影響較小。SEM和TEM電鏡圖譜表明，AuNPs直接粘附在細胞膜上，使得細胞膜拉伸、凹陷、變形或完全細胞裂解（圖4）。此外，Cryo-TEM表征發(fā)現(xiàn)AuNPs表明功能化對其抗菌性能有較大影響：親水性AuNSPs很快被細菌吸附并且包裹在其表面，而疏水性AuNSPs僅游離在細菌懸浮液中，由于AuNSTs與細胞膜接觸面積減少而表現(xiàn)出較弱的抗菌活性（圖4G）。以上結果均與建立的生物物理模型所預測的結果相吻合。圖4. 細菌經(jīng)AuNPs處理后形態(tài)變化。作者通過理論模擬與實驗研究相結合的方法，系統(tǒng)闡明了“非跨膜”NPs的機械殺菌機理：由于細胞壁缺少細胞骨架來抵御外部機械力，NPs與細胞膜相互作用使得膜張力增加，膜的整體拉伸和凹陷最終導致細菌死亡。該模型不僅適用于其他生物膜，而且在抗菌機理方面為新穎抗菌劑的合成提供了技術指導。
