超迈光电分析金属离子的抗菌起源

上世纪九十年代初，日本爆发的全国性大肠菌感染，引起世界范围的重视，科学家们在防御病毒和细菌对人类侵害上付出不懈努力。1928年以来，英国细菌学家Fleming发现污染在培养葡萄球菌的双蝶上一株霉菌能杀死周围的葡萄球菌，并将其命名为青霉素，世界上第一个抗生素由此诞生了。后来链霉素、氯霉素、土霉素和万古霉素等多种不同类型的抗生素药物的发现，挽救了无数的生命。但是，细菌在生长过程中出现的变异，进行自我复制并产生耐药性，使得抗生素类药物失效。同时抗菌药物大量地使用,细菌的耐药程度愈演愈烈。

    虽然科技飞速发展，新的抗生素不断被研发，但是研发周期远远赶不上细菌耐药的发展速度，人们开始开发新的抗菌策略，例如，研究一些环境因素如酸碱度、金属离子对多重耐药菌的作用，以及将抗菌药物与金属离子结合来克服细菌对抗生素的耐药性，从噬菌体病毒开发新抗菌药物的策略等。自古以来，人们就知道金属离子具有一定的药用价值，据《本草纲目》中记载“银屑（碎末）按五脏，定心神，止惊吓，除邪气，久服轻身长年”等。金属离子抗菌剂对各种病毒、细菌都具有广谱的抗菌性，灭菌率高，安全性好、长效、不产生耐药性等特点，可以有效地阻断病毒细菌的传播，杀死或抑制它们的生长，是预防疾病传播的有效手段。

抗菌剂及其相关制品的分类及特点

        抗菌材料是指经抗菌剂处理，具有抗菌性能的各种材料。

        抗菌剂是对细菌、病毒、霉菌等微生物高度敏感的化学成分，通过物理作用或化学反应杀死附着在其表面的微生物。    抗菌剂按照其自然属性可分为：    天然抗菌剂、有机抗菌剂、无机抗菌剂和复合抗菌剂等。

        天然抗菌剂主要是由动、植物和矿物提炼成的提取物，常见的有山嵛、孟宗竹、薄荷、柠檬叶等的提取物，从蟹、虾和牡蛎壳中提炼的壳聚糖以及天然矿物如陈莎、砒霜、铅丹、胆凡等。它们对多种微生物具有杀灭作用，但是抗菌成分含量较少，药效持续时间短，品种少，受安全和生产规模的制约，难以大量的应用。

        有机抗菌剂是通过化学反应破坏细胞膜，使蛋白质变性、代谢受阻，从而起到杀菌、防霉等作用。常用的有机抗菌剂如抗生素类药物，过氧乙酸、福尔马林以及季铵盐类，异噻唑和咪唑类，苯并咪唑类、双胍类以及醋酸洗必泰、甲氧青霉素等。它们对痢疾杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的杀菌效果均很好。杀菌力强、即效性好，来源丰富，对霉菌的杀灭能力也较强。但随着耐药性病原体细菌的出现，以及有机抗菌剂耐热稳定性差，易挥发或水解，分解产物和挥发性组分容易对动物的皮肤和眼睛造成刺激，故使用安全性差、寿命短。

    无机抗菌剂是以无机材料为载体，与具有抗菌能力的银、铜、锌等过渡族金属离子，氧化物或TiO2、ZrO2等光催化材料等复合，制成具有抗菌能力的产品。与有机抗菌剂相比，无机抗菌剂对各种病毒、细菌和真菌具有灭菌率高、安全性好、长效、不产生耐药性等特点，其耐热稳定性好，具有广阔的应用前景，受到各国，特别是日本和欧美国家的普遍重视，并已逐渐获得广泛的应用（表1）。金属离子抗菌剂是无机抗菌剂的一种，具有无机抗菌剂较强的抗菌能力和广谱抗菌性性能。且细菌不易产生抗药性突变，安全性好。研究表明，银等金属离子抗菌剂急性毒性（LD50）大于200mg/kg，皮肤一次刺激呈无刺激性反应，基因突变呈阴性。铁、锌、铜是人体含量最多的微量金属元素，在人体内具有重要的生理功能且都具有抗菌性能，因此，本文就铁 、锌、铜等金属离子在体内的分布及其在体内外的抗菌性能，进一步挖掘金属离子等无机盐的抗菌性能，解决细菌耐药性这一难题    。

金属离子抗菌剂的研究现状

铁离子抗菌剂

   铁是生命体必须的一种营养元素，参与众多生物代谢过程，如光合作用、呼吸作用、氮固定和生物合成等，在DNA合成、红细胞生成、线粒体生物合成、能量代谢及氧化呼吸链中起非常重要的作用。在自然界有氧条件下，铁主要以三价氧化物或氢氧化物的形式存在，溶解性极低，生物可利用度低，游离的Fe³⁺浓度一般不超过10-8mol/L。

      在有氧条件下，铁的一些潜在毒性显现出来。研究发现，革兰氏阴性菌和革兰氏    阳性菌均可吸附Fe    ³⁺    ，    并迅速将Fe    ³⁺    还原为    Fe    ²⁺    ，    生成的Fe    ²⁺    通过    参与Fenton反应    产生羟自由基，其可无选择性地    造成细胞膜脂质过氧化、蛋白质损伤和DNA损伤，其中以DNA损伤最为严重    。研究者研究发现，铁氧化    蛋白-NADP还原突变株    （    fpr    B）在抗生素处理时比野生型表现出更高的耐受性，过表达    fpr    B将导致细菌对抗生素更敏感（    fpr    B可催化高价铁离子    形成Fe    ²⁺    参与Fenton反应，过表达该还原酶将导致更多Fe    ²⁺    产生，从而加剧羟自由基产生）。当羟自由基水平过高时，生物分子的严重氧化损伤可直接导致细胞死亡。此外，    过多的Fe    ²⁺    还可通过    Haber-Weiss    反应催化活性氧（reactive     oxygen species，ROS    ）大量生成，从而对细菌生长产生一定的抑制作用。

锌离子抗菌剂

    锌是生命代谢中的重要微量金属元素，是多种生物酶类的重要辅基，如碱性磷酸酶、乙醇脱氢酶、氨基肽酶等；它还参与糖类、脂类、蛋白质的合成和降解等重要的新陈代谢过程，在调节细胞增殖、分化和程序性凋亡及在维持细胞膜结构中均起重要作用，在整个生命活动中不可或缺。

    锌具有抗菌的作用效果主要是以氧化锌的形式体现出来的。氧化锌不仅对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都显示出了优异的抗菌性能，而且其对真核和原核生物起到的抗性还有一定的选择偏好性。研究者研究发现，当氧化锌的浓度增大到能够杀死金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等有害菌时，其对具有免疫作用的人体T细胞的影响却很微弱。锌离子的主要作用与其他金属元素相同，一般作为酶促反应的催化剂对细菌等生物学或细胞生物学特性产生影响。据统计，300多种酶和1000多种转录因子需要锌的存在。锌还参与许多胞内生化过程，如促进蛋白质的正确折叠、干涉蛋白质与大分子的相互作用等。此外，锌离子是形成路易斯酸和蛋白质结构的重要辅助因子，存在于一些DNA结合蛋白中（如转录因子等）。据不完全估计，至少有10%的真核蛋白组和6%的大肠埃希菌蛋白组是以与锌离子结合的形式存在的。科学家探索了锌对肺炎链球菌的作用，结果显示浓度从正常培养基的19μmol/L降至10μmol/L时，肺炎链球菌的生长最好。锌离子浓度对细菌生长有很大影响。低浓度时，随着浓度升高，其促进作用越来越强；但浓度过高，会对细菌起毒害作用，抑制细菌生长。有研究发现，锌离子能抑制氨基糖苷类-6-N-乙酰转移酶介导的氨基糖苷类药物乙酰化过程，因此，氨基糖苷类药物和锌离子可联合用于治疗多重耐药菌感染。此外，由于碳青霉烯中包含许多需锌离子激活的金属酶，锌离子也可与碳青霉烯类抗生素共同作用。

    过量的锌会导致非锌结合蛋白的金属错配和产生一定的毒性。锌离子存在两种杀菌机制：首先，锌离子能作为活性催化活性中心激发水或空气中的氧产生羟自由基及活性氧离子，从而产生氧化应激反应，破坏细菌的繁殖能力，致使细菌死亡；其次，锌离子带正点，当过多的锌离子到达细菌表面时，因细胞膜带有负电荷，锌离子能依靠库仑力牢固地吸附于细胞膜表面，进一步穿透细胞壁，导致细胞壁破裂，引起细胞质外流，阻碍细胞繁殖，最终导致细菌死亡。

铜离子抗菌剂

    铜是人体必须的微量元素之一，含量居第三位，仅次于铁、锌，广泛分布于生物组织中，大部分以有机复合物的形式存在，以金属蛋白居多，以酶的形式发挥功能作用，铜在人体内处于一个动态平衡，铜代谢异常、摄入不足或过量都会引起疾病，如冠心病、胆固醇代谢异常、糖尿病、溶血、肌肉营养不良、骨质疏松、肿瘤及免疫功能下降等。对于成年人来说，一般每天需要吸收5mg(31.4μmol)铜，即能满足人体的生理需要，当体内铜含量超过一定限度时，就会表现其毒性，导致胃部不适、恶心、腹泻，并可能导致组织损伤和疾病。

    铜作为主要的抗菌元素之一，目前已被学者们纳入对植入材料的研究之中。细菌在铜表面不易形成保护性的生物膜，并且铜可以抑制或杀灭多种病原微生物如细菌、酵母、病毒等。研究者研究表明，通过离子注入技术将铜注入到纯钛和钛合金后，具有良好的抗菌性能，可以杀灭金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。据报道，在铜离子的溶液中，其抗菌活性与铜离子浓度以及培养时间相关。含铜质量分数为10%的钛铜烧结合金对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率为99%。此外Burghardt等研究显示，通过调整铜离子的含量，可诱导间充质干细胞（MSC）的抗菌活性，当铜离子浓度低于300μmol/L时足以抑制浮游细菌的生长。钛铜合金植入材料具有良好的机械性能、耐腐蚀性能、生物相容性和稳定的抗菌性，但由于不同浓度的铜对MSC的生物学作用不同，对机体免疫功能及相关铜依赖性酶类及蛋白质都存在一定的影响，因此还需要在较大剂量范围、较长时间以及多种生物系统中全面观察细胞的增殖、分化和凋亡等指标，这对于进一步研究和认识铜的作用，提高铜的利用率，正确用于种植材料中有着十分重要的意义。

复合氨基酸金属离子抗菌剂

       复合氨基酸有些为人体所必需的氨基酸，而铁、铜、锌虽然也是人体的必须微量元素，但服用过量也会有一定的毒性，有研究报道，有机化合物与金属离子发生配合反应生成配合物后毒性会降低。国内学者等人发现复合氨基酸    -铁配合物、复合氨基酸-锌配合物、复合氨基酸-铜配合物三种金属配合物对    小鼠均无毒，虽然无机金属离子过量本身是有毒性的，但经过与有机物反应后，金属键转变为配位共价键，氨基酸的氨基和羧基均有孤对电子，可将电子提供给缺电子的正价金属离子，金属离子的毒性消失或降低。此外，很多金属离子都具有抗菌作用，将两者通过化学方法合成新的产物，发挥了氨基酸和金属离子的协同作用，因此生物活性增强。

纳米无机抗菌剂

    纳米无机抗菌剂是利用铁、锌、铜等金属及其离子的杀菌和抑菌能力制得的一类抗菌剂，通过对材料的纳米改性，可以使抗菌剂的抗菌性能大大提高，延长使用寿命。金属离子接触微生物，因细胞膜带负电荷而与金属离子发生库伦吸引，即所谓微动力效应，导致金属离子穿透细胞膜，进入微生物内，与微生物内蛋白质发生反应使微生物蛋白质结构破坏，造成微生物死亡或产生功能障碍。由于金属离子一般附载在缓释性载体上，使用过程中具有抗菌性能的金属离子逐渐释放，而在低浓度下抗菌金属离子就有抗菌效果，依次通过抗菌金属离子的释放，无机抗菌剂可发挥持久的抗菌效果。科学家进行的纳米铜粒子与微米铜的抗菌试验显示，纳米铜粒子对枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均强于微米铜。平板扩散法的实验结果：100μg/mL纳米铜、200μg/mL微米铜和2μg/mL环丙沙星对枯草芽孢杆菌的抑菌环分别为19、10和29mm，对铜绿假单胞菌的抑菌环分别为15、10和28mm，对金黄色葡萄球菌的抑菌环分别为18、12、29mm，对大肠杆菌的抑菌环分别为12、8和23mm。将抗菌剂添加到纳米材料中，可制得纳米抗菌材料，广泛应用于医药领域，具有绿色安全、性能稳定、抗菌持久的纳米无机抗菌剂对改善人类生活水平、减少疾病、提高全民生活质量具有十分重要的意义。

结论与展望

        抗菌药物的研发速度难以赶上细菌进化的变异速度，科学家越来越关注抗菌药物以外的抗菌物质的研究。金属离子作为一种重要的生理调节物质，以不同形式，通过一系列酶的协同作用，可调控外排泵功能，影响生物膜形成并改变其粘附性，从而影响抗菌药物的活性，给抗菌物质的研究带来启发。但目前研究多关注耐药情况下的细菌内在生理改变，很少关注铁、锌、铜等金属离子本身对细菌耐药的影响及这些离子对抗菌药物活性的影响和对细菌生物学行为的反向影响。

        因此，深入研究金属离子在耐药基因形成、蛋白表达及生物学行为中的关联，尤其是不同生理条件下金属离子及其螯合物的变化对抗菌药物活性的影响将有利于提升抗菌效果和临床疗效及控制多重耐药菌，为抗菌药物改造、新型抗菌涂层医疗器械的研发指引了新的方向。同时在使用金属离子抗菌剂时，要不断改进应用中出现的缺陷，充分利用各种长处，通过复合各种抗菌元素或抗菌剂的方式使它们有机的结合在一起，以制备出更高效的抗菌剂，进一步推动人类健康事业的发展。