植物合成的金属纳米颗粒对金黄色葡萄球菌的抗菌特性：一篇综述报告

作者与发表信息

本文作者为A. Patel，隶属于沙特阿拉伯阿卜哈市哈立德国王大学医学院临床生物化学系。该综述发表于*Brazilian Journal of Biology*，2022年，第82卷，文章编号e268052。

综述主题与背景

金黄色葡萄球菌（*Staphylococcus aureus*，S. aureus）是一种革兰氏阳性细菌，也是全球范围内导致人类显著发病率和死亡率的最常见病原体之一。该菌可定植于人体多个部位，包括皮肤表面、鼻咽部、腋窝、胃肠道、腹股沟、咽喉及阴道等。虽然人群中大量携带者通常保持无症状状态，但细菌一旦通过上皮或黏膜表面的切口或破损进入血液，便可引发严重感染，如心内膜炎、坏死性筋膜炎、骨髓炎、肺炎和化脓性关节炎等，并累及心脏、骨骼、肺等重要内脏器官。金黄色葡萄球菌的生物膜形成能力是其重要的毒力因子，帮助细菌逃避宿主免疫系统，同时使其对传统抗菌药物（如抗生素）产生耐药性。当生物膜在人工关节、导管、心脏起搏器等医疗植入器械表面形成时，可导致器械失效、慢性感染以及重复手术的需要。更为严峻的是，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、万古霉素中介金黄色葡萄球菌（VISA）和万古霉素耐药金黄色葡萄球菌（VRSA）等耐药菌株的出现使临床治疗面临巨大挑战。面对上述困境，基于纳米颗粒的新型抗菌治疗策略日益受到关注，尤其是利用植物提取物合成的金属纳米颗粒展现出了广阔的应用前景。本综述聚焦于植物合成金属纳米颗粒在抗金黄色葡萄球菌治疗中的近期研究进展。

植物合成金属纳米颗粒的方法学要点

纳米颗粒的合成方法主要分为非生物法和生物法。非生物法包括物理法和化学法，虽然可实现大规模生产且能控制颗粒的尺寸和形貌，但存在方法复杂、能耗高、使用有毒化学试剂以及产生有毒副产物等弊端，严重限制了其在生物医学领域的应用。生物法则利用微生物培养物或植物提取物进行合成。与化学合成纳米颗粒相比，生物途径合成的纳米颗粒具有良好的生物相容性。微生物介导的合成存在速率慢、成本较高等缺点，而植物介导的合成则能以更快的速率生产稳定的纳米颗粒，且合成过程在胞外进行，无需下游加工处理。植物提取物中的蛋白质、氨基酸、多糖、酶以及生物碱、类黄酮、多酚、萜类等次生代谢产物充当还原剂和稳定剂，将金属盐还原为相应的金属纳米颗粒，无需额外添加外部还原剂和稳定剂。植物介导的绿色合成通常包括以下步骤：收集植物特定部位（根、茎、叶、花、种子、果实、树皮或胞外分泌物）→ 清洗干燥 → 在适当溶剂（水、甲醇、乙醇等）中提取植物化学成分 → 过滤去除颗粒物 → 将植物提取物与金属盐（如AgNO₃、CuSO₄、HAuCl₄等）混合以还原金属离子 → 通过紫外-可见分光光度计确认纳米颗粒的形成 → 利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和动态光散射等技术分析尺寸和形貌 → 通过傅里叶变换红外光谱识别颗粒表面的植物来源官能团 → 通过X射线衍射分析进行晶相鉴定。

银纳米颗粒的抗金葡菌应用

银纳米颗粒（AgNPs）是利用植物提取物合成并抗金葡菌的研究最为广泛的材料之一。多种药用植物提取物已被成功用于AgNPs的合成，包括大麻、凝固醉茄、红参、人参、芦荟、长春花和肉桂等。植物废弃物和副产物同样被有效利用，如椰子壳、玉米芯、果皮、废弃蔬菜纤维、甘蔗渣和果渣等。植物合成的AgNPs对耐药菌株同样有效，多项研究证实了其对MRSA和其他耐药菌株的杀灭作用。多种植物提取物合成的AgNPs被用于抑制生物膜形成，如蓝桉叶提取物、红茶粉提取物、红参根提取物、丁香罗勒叶提取物、田旋花叶提取物、芳香姜黄块茎提取物、黄铃椒提取物、大蒜鳞茎提取物和甘松根茎提取物等。其中，Ali等人利用蓝桉叶提取物在微波辅助下快速制备AgNPs，30 μg/ml的AgNPs处理24小时后可抑制82±3%的甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌（MSSA）和MRSA形成的生物膜。Moulavi等人发现蒿属植物提取物合成的AgNPs通过影响生物膜形成相关基因*icaA*和*icaR*的表达来抑制临床多重耐药菌株的生物膜形成。Das等人提出AgNPs杀灭金葡菌的两个主要步骤：颗粒通过破坏细胞膜进入胞内，随后诱导胞内活性氧（ROS）的产生。此外，植物合成的AgNPs已被整合到水凝胶、纺织纤维和表面涂层等材料体系中，用于预防金葡菌感染。植物合成的AgNPs还与商用抗生素联合使用以发挥协同抗菌效应，其中Gurunathan等人的研究表明，AgNPs与抗生素联用对金葡菌的杀伤作用优于单独使用抗生素或纳米颗粒，提示了一种将抗生素与植物合成金属纳米颗粒相结合治疗金葡菌感染的新策略。AgNPs在动物模型中的伤口愈合效果也已得到验证，如蔓越莓粉水提物合成的AgNPs在大鼠模型中表现出对金葡菌诱导伤口的愈合潜力。其他银基纳米颗粒如Ag₂O、AgO和AgCl也通过植物提取物成功合成并展示了对金葡菌的抗菌活性。

金纳米颗粒的抗金葡菌应用

多种植物提取物被用于合成具有抗金葡菌活性的金纳米颗粒（AuNPs），如芒果种子提取物、红千层种子提取物、南非叶叶提取物、山茶花叶提取物、莲子草叶提取物、牛至叶提取物、圣罗勒花提取物、野黑种草叶提取物和小豆蔻种子提取物等。部分研究利用两种不同植物提取物的混合物来合成AuNPs，如Muthukumar等人比较了番木瓜叶提取物、长春花叶提取物以及两者混合提取物合成的AuNPs的抗金葡菌活性，发现混合提取物合成的AuNPs具有最高的抗菌活性。值得注意的是，部分研究报告了植物合成的AuNPs对金葡菌缺乏抗菌活性，凸显了植物种类对AuNPs抗菌能力的重要影响。同一植物不同部位也能产生显著差异：Moustafa和Alomari的研究中，骆驼蓬叶提取物合成的AuNPs对金葡菌具有杀菌活性，而该植物种子提取物合成的AuNPs则无任何活性。这种差异被归因于两种提取物中生物还原剂（多元醇）的性质不同——叶提取物含高分子量多元醇，产生单分散各向同性AuNPs；种子提取物含低分子量多元醇，产生多分散各向异性AuNPs。植物合成的AuNPs也被加载到服装纤维中以及联合抗生素使用来对抗金葡菌感染。

铜、锌、铁纳米颗粒的抗金葡菌应用

铜基纳米颗粒（CuNPs）已从多种植物部位提取物中合成并对金葡菌展现出抗菌效果。Hassanien等人首次利用椴树叶提取物制备球形CuNPs，平均尺寸4.7至17.4 nm，对金葡菌具有优异的抗菌活性；负载利福平的CuNPs通过穿透细菌细胞、改变其形态并损伤基因组DNA来抑制金葡菌生长。Rezaie等人利用烧焦的植物叶茎灰烬在聚酯织物上原位制备花椰菜状氧化铜纳米颗粒（CuONPs），负载于织物后对金葡菌具有抗菌活性。锌基纳米颗粒（ZnNPs）同样是重要的替代纳米材料。Khatami等人利用甜菊叶提取物获得矩形氧化锌纳米颗粒（ZnONPs），尺寸10至90 nm，对金葡菌的最低抑菌浓度和最低杀菌浓度分别为2.0±1和4.0±1 µg/ml。Samrat等人的比较研究表明，石榴皮提取物合成的ZnONPs（10–20 nm）比化学法合成的ZnONPs（60–80 nm）对金葡菌的杀灭效率更高。Baker等人将植物合成的ZnONPs功能化到细菌纤维素膜上，成功抑制了MRSA的生长。Liu等人利用萝卜根提取物合成了六方纤锌矿结构ZnONPs，对从糖尿病足溃疡中分离的MRSA菌株具有抗菌效果。铁及铁氧化物纳米颗粒也是重要的杀菌剂。Madubuonu等人将番石榴叶和辣木叶的混合提取物用于制备氧化铁纳米颗粒（IONPs），发现混合提取物合成的IONPs对金葡菌的抑菌圈大于单一植物提取物合成的IONPs。Akhter等人比较了同一植物叶提取物合成的三种纳米颗粒对金葡菌的抗菌活性，排序为：ZnONPs > IONPs > CuONPs。Qasim等人发现植物合成的IONPs比化学合成的IONPs对金葡菌更有效。Pallela等人的研究表明，在α-Fe₂O₃纳米颗粒存在下，活性氧而非金属离子释放是导致金葡菌死亡的主要因素。

镍、钛、钯、铂及稀土金属纳米颗粒的抗金葡菌应用

植物合成的镍基纳米颗粒被广泛用于抗金葡菌。Jamila等人利用荜茇柔荑花序水提物合成78 nm的镍纳米颗粒，对金葡菌产生15±0.51 mm的抑菌圈，最低抑菌浓度为62.5 µg/ml。多种植物叶提取物被用作生物还原剂合成氧化镍纳米颗粒（NiONPs），对MSSA和MRSA均表现出抗菌和抗生物膜活性。钛基纳米颗粒，尤其是二氧化钛纳米颗粒（TiO₂NPs），因其热稳定性和化学稳定性、无毒性和优异的生物相容性而受到关注。多种植物叶提取物、果皮提取物以及根提取物合成的TiO₂NPs均展示了对金葡菌的抗菌活性，部分研究还证实了其伤口愈合潜力。钯纳米颗粒（PdNPs）通过多种植物提取物合成，如辣木果皮提取物微波辅助合成的球形PdNPs对金葡菌具有致死作用。铂纳米颗粒（PtNPs）同样通过植物提取物成功制备并展示了对金葡菌的抗菌活性，其抗菌效果呈浓度依赖性。稀土金属氧化物纳米颗粒，包括氧化铈、氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化镝和氧化镱等，也被证明是抗金葡菌的有效纳米治疗剂。多金属纳米颗粒（如纳米复合材料、核壳纳米颗粒和合金纳米颗粒）通常提供比单金属纳米颗粒更强的抗菌活性。多项研究表明，Ag-Au合金纳米颗粒对金葡菌的抗菌活性高于单独的AgNPs和AuNPs。此外，掺杂稀土元素（镧、铈、钕）的ZnONPs中，掺镧ZnONPs对金葡菌表现出最佳抗菌活性。众多其他植物合成的多金属纳米颗粒也成功应用于抗金葡菌。

结论与展望

本综述表明，金黄色葡萄球菌作为多种危及生命的感染的病原体，其耐药菌株的出现对临床治疗构成了严峻挑战。植物提取物是多样化植物化学成分的廉价来源，可作为纳米颗粒合成过程中的还原剂和稳定剂。各种金属（银、金、铜、锌、镍、钯、铂、稀土金属等）、金属氧化物（CuO、ZnO、NiO、TiO₂、铁氧化物等）以及多金属的植物合成纳米颗粒已成为限制金葡菌感染的常规抗生素的新型治疗替代方案。然而，植物合成金属纳米颗粒对金葡菌的有效性取决于植物种类及所用植物部位（种子、花、根、叶、茎、树皮、树胶、果皮等）。这些鼓舞人心的结果需要通过细胞毒性和免疫毒性研究加以加强。同时，理解植物合成金属纳米颗粒杀灭金葡菌的机制对于克服金葡菌对纳米颗粒产生耐药性的可能性也是必要的。因此，对于金葡菌相关感染，植物合成金属纳米颗粒可以成为临床环境中的长期可行解决方案，并为未来研究提供更多机遇。