納米顆粒(NPs)由于其特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于殺菌和腫瘤治療等生物醫(yī)藥領(lǐng)域。對(duì)于粒徑較小的NPs (<10 nm)，人們普遍認(rèn)可的殺菌機(jī)理是，NPs通過移位在細(xì)菌細(xì)胞膜上形成不可修復(fù)的孔洞，導(dǎo)致細(xì)菌變形和死亡。然而科學(xué)家們對(duì)于較大粒徑NPs的殺菌機(jī)制依然無(wú)法達(dá)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(xué)性質(zhì)等參數(shù)的迥異性。
近日，皇家墨爾本理工大學(xué) Elena P. Ivanova教授團(tuán)隊(duì)將理論和實(shí)踐相結(jié)合，首次提出了適用于“非跨膜” NPs的膜張力殺菌機(jī)制：細(xì)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(zhì)雙分子層的坍塌和變形，導(dǎo)致細(xì)菌機(jī)械死亡。該項(xiàng)工作以題為“Antibacterial Action of Nanoparticles by Lethal Stretching of Bacterial Cell Membranes”發(fā)表在《Advanced Materials》上。圖1. 團(tuán)簇和單個(gè)納米粒子對(duì)菌膜彈性拉伸。為了評(píng)估團(tuán)簇和單個(gè)納米粒子對(duì)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(guān)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(yù)期的，菌膜拉伸隨著團(tuán)簇粒徑和密度的增加而增加，當(dāng)達(dá)到菌膜極限時(shí)，單獨(dú)一個(gè)大的團(tuán)簇足以使得膜破裂。圖2. AuNSPs和AuNSTs吸附在脂質(zhì)雙分子層上。作者分別以模擬的脂質(zhì)雙分子層和細(xì)菌細(xì)胞膜作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，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(zhǔn)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(jī)制與尺寸、形貌和表面電荷的關(guān)系。如圖2所示，在油相中將脂質(zhì)夾在兩水相間制成類似三明治結(jié)構(gòu)的脂質(zhì)雙分子層，其面積隨著AuNSPs的粘附而減小，而AuNSTs僅吸附在脂質(zhì)-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(zhì)雙分子層上。圖3. AuNSPs和AuNSTs對(duì)格蘭仕陽(yáng)、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(dòng)力學(xué)以及形貌對(duì)抗菌性能的影響。由于AuNSPs對(duì)細(xì)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(duì)抗菌性能影響較小。SEM和TEM電鏡圖譜表明，AuNPs直接粘附在細(xì)胞膜上，使得細(xì)胞膜拉伸、凹陷、變形或完全細(xì)胞裂解（圖4）。此外，Cryo-TEM表征發(fā)現(xiàn)AuNPs表明功能化對(duì)其抗菌性能有較大影響：親水性AuNSPs很快被細(xì)菌吸附并且包裹在其表面，而疏水性AuNSPs僅游離在細(xì)菌懸浮液中，由于AuNSTs與細(xì)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(jié)果均與建立的生物物理模型所預(yù)測(cè)的結(jié)果相吻合。圖4. 細(xì)菌經(jīng)AuNPs處理后形態(tài)變化。作者通過理論模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，系統(tǒng)闡明了“非跨膜”NPs的機(jī)械殺菌機(jī)理：由于細(xì)胞壁缺少細(xì)胞骨架來(lái)抵御外部機(jī)械力，NPs與細(xì)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(dǎo)致細(xì)菌死亡。該模型不僅適用于其他生物膜，而且在抗菌機(jī)理方面為新穎抗菌劑的合成提供了技術(shù)指導(dǎo)。
