第一作者：鄭凱元
通訊作者：謝建平, 梁大衛(wèi)
通訊單位：新加坡國立大學(xué)
研究內(nèi)容：
金屬納米顆粒(NPs)的大小在其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中至關(guān)重要。雖然已有大量關(guān)于2-100 nm范圍內(nèi)金屬納米顆粒的尺寸效應(yīng)的研究，但對(duì)具有獨(dú)特特征的~1 nm尺寸的超小金屬納米團(tuán)簇(NCs)的探索還十分有限。我們合成了3種不同金原子序數(shù)的金納米團(tuán)簇和2種由相同配體保護(hù)的較大尺寸的金納米顆粒，研究了尺寸對(duì)抗菌效果的影響。超小Au NCs容易穿過細(xì)胞壁孔隙進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部，誘導(dǎo)活性氧生成氧化細(xì)菌膜，干擾細(xì)菌代謝。這解釋了為什么Au NCs是抗菌的，而Au NPs是不抗菌的，表明大小在抗菌能力中起關(guān)鍵作用。此外，與眾所周知的大小依賴的抗菌性能不同，不同原子數(shù)的金納米粒表現(xiàn)出類似分子的抗菌行為，而不是大小依賴的抗菌行為，具有相當(dāng)?shù)挠行裕@表明了超小金納米粒獨(dú)特的類分子特性。用超小的Au NCs克服細(xì)菌膜的防御，改變了以前認(rèn)為對(duì)細(xì)菌無害的東西，而變成了一種對(duì)抗細(xì)菌的高效劑。
要點(diǎn)一：
通過合成同一配體保護(hù)的三種不同原子數(shù)目的金納米團(tuán)簇(Au25、Au102、Au144)和不同尺寸的金納米顆粒(3 nm、5 nm)，研究其抗菌性能的強(qiáng)弱，證實(shí)了尺寸對(duì)抗菌性能的影響。但與眾所周知的大小依賴的抗菌性能不同，不同原子數(shù)的金納米粒表現(xiàn)出類似分子的抗菌行為，而不是大小依賴的抗菌行為，具有相當(dāng)?shù)挠行?，這表明了超小金納米粒獨(dú)特的類分子特性。
要點(diǎn)二：
細(xì)菌膜可以調(diào)節(jié)納米材料吸收的一個(gè)決定性的特征是膜孔，納米材料可以通過膜孔簡單的擴(kuò)散到細(xì)菌中。但孔的尺寸一般為1.2~2 nm。與哺乳動(dòng)物和其他真核細(xì)胞不同，細(xì)菌細(xì)胞沒有同樣的活性囊泡內(nèi)吞機(jī)制來內(nèi)化納米材料，因此，納米材料只能通過簡單的擴(kuò)散方式通過細(xì)胞壁上的超小孔進(jìn)入細(xì)菌。
要點(diǎn)三：
一旦Au NCs進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，其抗菌性能僅取決于被內(nèi)化的Au NCs的數(shù)量，而每個(gè)Au NCs的原子數(shù)并不影響其殺滅細(xì)胞的性能。
要點(diǎn)四：
進(jìn)入細(xì)胞后，金納米團(tuán)簇的納米核會(huì)被分解為更小的金納米核，這些金納米核會(huì)失去電子給活性氧，活性氧會(huì)破壞細(xì)胞膜，影響細(xì)菌新陳代謝從而殺死細(xì)菌。
圖1：Au NCs和Au NPs的表征。(a, c, e, g, i) MBA保護(hù)的Au25、Au102、Au144、Au NPs(3 nm)和Au NPs(5 nm)的紫外可見吸收光譜。插圖是相應(yīng)的NC或NP溶液的數(shù)碼照片，它們的晶體結(jié)構(gòu)和ζ電位(ζ)。(b, d, f, h, j)代表TEM圖像。插圖是相應(yīng)的NCs或NPs的大小分布。比例尺是20nm。
圖2：Au NCs在相同Au原子濃度下表現(xiàn)出不同的抗菌能力，而Au NPs不表現(xiàn)出抗菌能力。(a) Au NCs和Au NPs在相同Au原子濃度下(處理溶液中最終Au原子濃度為0.1 mM)處理2 h后金黃色葡萄球菌的代表性熒光圖像。死亡細(xì)胞用SYTOX綠染色，總細(xì)胞用Hoechst 33342(藍(lán)色)染色。比例尺為25 μm。(b)相同Au原子濃度下Au NCs和Au NPs處理2 h后死亡金黃色葡萄球菌的百分比。(c)相同Au原子濃度的金納米粒處理2,6,12和24 h后金黃色葡萄球菌死亡百分率隨時(shí)間變化曲線。
圖3: Au NCs在相同顆粒濃度下表現(xiàn)出較高的細(xì)菌內(nèi)化能力和抗菌能力，而Au NPs在細(xì)菌中的吸收能力較低，未表現(xiàn)出明顯的殺菌效果。(a)代表的熒光圖像2 h后金黃色葡萄球菌治療Au NCs和AuNPs在同一粒子濃度(最后的粒子濃度在治療溶液是~ 2.4 *1015粒子毫升1)死去的細(xì)胞被染色SYTOX綠染色，而總細(xì)胞染色由Hoechst 33342(藍(lán)色)。比例尺為25 μm。(b)相同濃度Au NCs和Au NPs處理2 h后死亡金黃色葡萄球菌的百分比。(c)相同濃度金納米粒處理2,6,12和24 h后金黃色葡萄球菌死亡百分比的時(shí)間依賴性曲線。(d)金納米粒對(duì)金黃色葡萄球菌的半數(shù)最大抑制濃度(IC50)。(e)以相同顆粒濃度處理金黃色葡萄球菌2小時(shí)后Au NCs和Au NPs的吸收情況。
圖4：Au NCs誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)ROS生成，氧化細(xì)菌膜，促進(jìn)金黃色葡萄球菌的細(xì)胞氧化過程。(a) 相對(duì)細(xì)胞內(nèi)ROS生產(chǎn)水平和 (b) 相對(duì)的脂質(zhì)過氧化水平的金黃色葡萄球菌2 h后治療Au NCs和Au NPs在同一粒子濃度(最后的粒子濃度在溶液中是~ 2.4 *1015粒子每毫升，細(xì)胞內(nèi)ROS水平和脂質(zhì)過氧化水平水處理組設(shè)為1。(c f) 相同濃度Au NCs和Au NPs處理2 h后金黃色葡萄球菌的相對(duì)基因表達(dá)量。水處理組的基因表達(dá)量設(shè)為1。氧化調(diào)節(jié)基因(c) dmpI、(d) narJ、(e) nark表達(dá)增加，還原調(diào)節(jié)基因 (f) sod表達(dá)減少。
參考文獻(xiàn)：
Zheng, K.; Setyawati, M. I.; Leong, D. T.; Xie, J., Overcoming bacterial physical defenses with molecule-like ultrasmall antimicrobial gold nanoclusters. Bioact Mater 2021, 6 (4), 941-950.
