第一作者：郑凯元

通讯作者：谢建平, 梁大卫

通讯单位：新加坡国立大学

研究内容：

金属纳米颗粒(NPs)的大小在其生物医学应用中至关重要。虽然已有大量关于2-100 nm范围内金属纳米颗粒的尺寸效应的研究，但对具有独特特征的~1 nm尺寸的超小金属纳米团簇(NCs)的探索还十分有限。我们合成了3种不同金原子序数的金纳米团簇和2种由相同配体保护的较大尺寸的金纳米颗粒，研究了尺寸对抗菌效果的影响。超小Au NCs容易穿过细胞壁孔隙进入细菌内部，诱导活性氧生成氧化细菌膜，干扰细菌代谢。这解释了为什么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关键作用。此外，与众所周知的大小依赖的抗菌性能不同，不同原子数的金纳米粒表现出类似分子的抗菌行为，而不是大小依赖的抗菌行为，具有相当的有效性，这表明了超小金纳米粒独特的类分子特性。用超小的Au NCs克服细菌膜的防御，改变了以前认为对细菌无害的东西，而变成了一种对抗细菌的高效剂。

要点一：

  通过合成同一配体保护的三种不同原子数目的金纳米团簇(Au₂₅、Au₁₀₂、Au₁₄₄)和不同尺寸的金纳米颗粒(3 nm、5 nm)，研究其抗菌性能的强弱，证实了尺寸对抗菌性能的影响。但与众所周知的大小依赖的抗菌性能不同，不同原子数的金纳米粒表现出类似分子的抗菌行为，而不是大小依赖的抗菌行为，具有相当的有效性，这表明了超小金纳米粒独特的类分子特性。

要点二：

  细菌膜可以调节纳米材料吸收的一个决定性的特征是膜孔，纳米材料可以通过膜孔简单的扩散到细菌中。但孔的尺寸一般为1.2~2 nm。与哺乳动物和其他真核细胞不同，细菌细胞没有同样的活性囊泡内吞机制来内化纳米材料，因此，纳米材料只能通过简单的扩散方式通过细胞壁上的超小孔进入细菌。

要点三：

  一旦Au NCs进入细菌体内，其抗菌性能仅取决于被内化的Au NCs的数量，而每个Au NCs的原子数并不影响其杀灭细胞的性能。

要点四：

  进入细胞后，金纳米团簇的纳米核会被分解为更小的金纳米核，这些金纳米核会失去电子给活性氧，活性氧会破坏细胞膜，影响细菌新陈代谢从而杀死细菌。

图1：Au NCs和Au NPs的表征。(a, c, e, g, i) MBA保护的Au₂₅、Au₁₀₂、Au₁₄₄、Au NPs(3 nm)和Au NPs(5 nm)的紫外可见吸收光谱。插图是相应的NC或NP溶液的数码照片，它们的晶体结构和ζ电位(ζ)。(b, d, f, h, j)代表TEM图像。插图是相应的NCs或NPs的大小分布。比例尺是20nm。

图2：Au NCs在相同Au原子浓度下表现出不同的抗菌能力，而Au NPs不表现出抗菌能力。(a) Au NCs和Au NPs在相同Au原子浓度下(处理溶液中最终Au原子浓度为0.1 mM)处理2 h后金黄色葡萄球菌的代表性荧光图像。死亡细胞用SYTOX绿染色，总细胞用Hoechst 33342(蓝色)染色。比例尺为25 μm。(b)相同Au原子浓度下Au NCs和Au NPs处理2 h后死亡金黄色葡萄球菌的百分比。(c)相同Au原子浓度的金纳米粒处理2,6,12和24 h后金黄色葡萄球菌死亡百分率随时间变化曲线。

图3: Au NCs在相同颗粒浓度下表现出较高的细菌内化能力和抗菌能力，而Au NPs在细菌中的吸收能力较低，未表现出明显的杀菌效果。(a)代表的荧光图像2 h后金黄色葡萄球菌治疗Au NCs和AuNPs在同一粒子浓度(最后的粒子浓度在治疗溶液是~ 2.4 *10₁₅粒子毫升1)死去的细胞被染色SYTOX绿染色，而总细胞染色由Hoechst 33342(蓝色)。比例尺为25 μm。(b)相同浓度Au NCs和Au NPs处理2 h后死亡金黄色葡萄球菌的百分比。(c)相同浓度金纳米粒处理2,6,12和24 h后金黄色葡萄球菌死亡百分比的时间依赖性曲线。(d)金纳米粒对金黄色葡萄球菌的半数最大抑制浓度(IC50)。(e)以相同颗粒浓度处理金黄色葡萄球菌2小时后Au NCs和Au NPs的吸收情况。

图4：Au NCs诱导细胞内ROS生成，氧化细菌膜，促进金黄色葡萄球菌的细胞氧化过程。(a) 相对细胞内ROS生产水平和 (b) 相对的脂质过氧化水平的金黄色葡萄球菌2 h后治疗Au NCs和Au NPs在同一粒子浓度(最后的粒子浓度在溶液中是~ 2.4 *10¹⁵粒子每毫升，细胞内ROS水平和脂质过氧化水平水处理组设为1。(c f) 相同浓度Au NCs和Au NPs处理2 h后金黄色葡萄球菌的相对基因表达量。水处理组的基因表达量设为1。氧化调节基因(c)  dmpI、(d)  narJ、(e)  nark表达增加，还原调节基因 (f) sod表达减少。

参考文献：

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.