Сребърните наночастици (AgNP) се считат за потенциално полезен инструмент за контролиране на различни патогени.Съществуват обаче опасения относно освобождаването на AgNPs в околната среда, тъй като те могат да генерират неблагоприятни последици за човешкото здраве и околната среда.В това проучване ние разработихме и оценихме нов магнитен хибриден колоид (MHC) с размер на микрометър, украсен с различни по размер AgNPs (AgNP-MHCs).След като бъдат приложени за дезинфекция, тези частици могат лесно да бъдат възстановени от средата на околната среда с помощта на техните магнитни свойства и остават ефективни за инактивиране на вирусни патогени.Ние оценихме ефикасността на AgNP-MHCs за инактивиране на бактериофаг ϕX174, миши норовирус (MNV) и аденовирусен серотип 2 (AdV2).Тези целеви вируси бяха изложени на AgNP-MHCs за 1, 3 и 6 часа при 25 ° C и след това анализирани чрез анализ на плака и TaqMan PCR в реално време.AgNP-MHCs бяха изложени на широк диапазон от нива на pH и на чешмяна и повърхностна вода, за да се оцени техните антивирусни ефекти при различни условия на околната среда.Сред трите тествани вида AgNP-MHCs, Ag30-MHCs показват най-висока ефикасност за инактивиране на вирусите.ϕX174 и MNV бяха намалени с повече от 2 log10 след излагане на 4.6 × 109 Ag30-MHCs/ml за 1 час.Тези резултати показват, че AgNP-MHC могат да се използват за инактивиране на вирусни патогени с минимален шанс за потенциално освобождаване в околната среда.

С последните постижения в нанотехнологиите, наночастиците получават все по-голямо внимание в световен мащаб в областта на биотехнологиите, медицината и общественото здраве (1,2).Благодарение на високото си съотношение повърхност/обем, материалите с нано размери, обикновено вариращи от 10 до 500 nm, имат уникални физикохимични свойства в сравнение с тези на по-големите материали (1).Формата и размерът на наноматериалите могат да бъдат контролирани и специфични функционални групи могат да бъдат конюгирани върху техните повърхности, за да се даде възможност за взаимодействие с определени протеини или вътреклетъчно усвояване (3,–5).

Сребърните наночастици (AgNP) са широко изследвани като антимикробно средство (6).Среброто се използва при създаването на фини прибори за хранене, за украса и в терапевтични средства.Сребърни съединения като сребърен сулфадиазин и някои соли са били използвани като продукти за грижа за рани и като лечение на инфекциозни заболявания поради техните антимикробни свойства (6,7).Скорошни проучвания разкриха, че AgNP са много ефективни за инактивиране на различни видове бактерии и вируси (8,–11).AgNPs и Ag+ йони, освободени от AgNPs, взаимодействат директно с биомолекули, съдържащи фосфор или сяра, включително ДНК, РНК и протеини (12,–14).Доказано е също, че генерират реактивни кислородни видове (ROS), причинявайки увреждане на мембраната в микроорганизмите (15).Размерът, формата и концентрацията на AgNPs също са важни фактори, които влияят върху техните антимикробни способности (8,10,13,16,17).

Предишни проучвания също подчертаха няколко проблема, когато AgNP се използват за контролиране на патогени във водна среда.Първо, съществуващите проучвания за ефективността на AgNP за инактивиране на вирусни патогени във водата са ограничени.В допълнение, монодисперсните AgNPs обикновено са обект на агрегация частица-частица поради техния малък размер и голяма повърхност и тези агрегати намаляват ефективността на AgNPs срещу микробни патогени (7).И накрая, доказано е, че AgNP имат различни цитотоксични ефекти (5,18,–20), а освобождаването на AgNPs във водна среда може да доведе до проблеми с човешкото здраве и екология.

Наскоро разработихме нов магнитен хибриден колоид (MHC) с размер на микрометър, украсен с AgNP с различни размери (21,22).MHC ядрото може да се използва за възстановяване на AgNP композитите от околната среда.Ние оценихме антивирусната ефикасност на тези сребърни наночастици върху MHCs (AgNP-MHCs), използвайки бактериофаг ϕX174, миши норовирус (MNV) и аденовирус при различни условия на околната среда.

Антивирусни ефекти на AgNP-MHCs при различни концентрации срещу бактериофаг ϕX174 (a), MNV (b) и AdV2 (c).Целевите вируси бяха третирани с различни концентрации на AgNP-MHCs и с OH-MHCs (4.6 × 109 частици/ml) като контрола, в разклащащ се инкубатор (150 rpm, 1 h, 25 ° C).Методът за анализ на плаки беше използван за измерване на оцелелите вируси.Стойностите са средни ± стандартни отклонения (SD) от три независими експеримента.Звездичките показват значително различни стойности (P< 0,05 чрез еднопосочен ANOVA с тест на Dunnett).

Това проучване демонстрира, че AgNP-MHCs са ефективни за инактивиране на бактериофаги и MNV, сурогат на човешки норовирус, във вода.В допълнение, AgNP-MHCs могат лесно да бъдат възстановени с магнит, като ефективно предотвратяват освобождаването на потенциално токсични AgNPs в околната среда.Редица предишни проучвания показват, че концентрацията и размерът на частиците на AgNP са критични фактори за инактивиране на целевите микроорганизми (8,16,17).Антимикробните ефекти на AgNP също зависят от вида на микроорганизма.Ефикасността на AgNP-MHCs за инактивиране на ϕX174 следва връзка доза-отговор.Сред тестваните AgNP-MHCs, Ag30-MHCs имат по-висока ефикасност за инактивиране на ϕX174 и MNV.За MNV, само Ag30-MHCs показват антивирусна активност, като другите AgNP-MHCs не генерират значително инактивиране на MNV.Нито един от AgNP-MHCs няма значителна антивирусна активност срещу AdV2.

В допълнение към размера на частиците, концентрацията на сребро в AgNP-MHCs също беше важна.Концентрацията на сребро изглежда определя ефикасността на антивирусните ефекти на AgNP-MHCs.Концентрациите на сребро в разтвори на Ag07-MHCs и Ag30-MHCs при 4.6 × 109 частици/ml са съответно 28.75 ppm и 200 ppm и корелират с нивото на антивирусна активност.Таблица 2обобщава концентрациите на сребро и повърхностните площи на тестваните AgNP-MHCs.Ag07-MHCs показват най-ниската антивирусна активност и имат най-ниската концентрация на сребро и повърхностна площ, което предполага, че тези свойства са свързани с антивирусната активност на AgNP-MHCs.

Предишното ни проучване показа, че основните антимикробни механизми на AgNP-MHCs са химическата абстракция на Mg2+ или Ca2+ йони от микробните мембрани, създаването на комплекси с тиолови групи, разположени в мембраните, и генерирането на реактивни кислородни видове (ROS) (21).Тъй като AgNP-MHCs имат относително голям размер на частиците (~500 nm), е малко вероятно те да могат да проникнат през вирусен капсид.Вместо това изглежда, че AgNP-MHCs взаимодействат с вирусни повърхностни протеини.AgNP върху композитите са склонни да свързват биомолекули, съдържащи тиолова група, вградени в протеините на обвивката на вирусите.Следователно, биохимичните свойства на вирусните капсидни протеини са важни за определяне на тяхната чувствителност към AgNP-MHCs.Фигура 1показва различната чувствителност на вирусите към ефектите на AgNP-MHCs.Бактериофагите ϕX174 и MNV са податливи на AgNP-MHCs, но AdV2 е резистентен.Високото ниво на устойчивост на AdV2 вероятно е свързано с неговия размер и структура.Аденовирусите варират по размер от 70 до 100 nm (30), което ги прави много по-големи от ϕX174 (27 до 33 nm) и MNV (28 до 35 nm) (31,32).В допълнение към големия си размер, аденовирусите имат двойноверижна ДНК, за разлика от други вируси, и са устойчиви на различни натоварвания от околната среда, като топлина и UV радиация (33,34).Предишното ни проучване съобщава, че почти 3-log10 намаление на MS2 е настъпило с Ag30-MHCs в рамките на 6 часа (21).MS2 и ϕX174 имат подобни размери с различни видове нуклеинова киселина (РНК или ДНК), но имат сходни скорости на инактивиране от Ag30-MHCs.Следователно природата на нуклеиновата киселина не изглежда да е основният фактор за резистентност към AgNP-MHCs.Вместо това размерът и формата на вирусната частица изглеждат по-важни, тъй като аденовирусът е много по-голям вирус.Ag30-MHCs постигнаха почти 2-log10 намаление на M13 в рамките на 6 часа (нашите непубликувани данни).M13 е едноверижен ДНК вирус (35) и е ~880 nm дължина и 6,6 nm диаметър (36).Скоростта на инактивиране на филаментозния бактериофаг M13 е междинна между тези на малки вируси с кръгла структура (MNV, ϕX174 и MS2) и голям вирус (AdV2).

В настоящото проучване кинетиката на инактивиране на MNV е значително различна в анализа на плаките и RT-PCR анализа (Фиг. 2bиив).в).Известно е, че молекулярните анализи като RT-PCR значително подценяват нивата на инактивиране на вирусите (25,28), както беше установено в нашето проучване.Тъй като AgNP-MHC взаимодействат основно с повърхността на вируса, те са по-склонни да увредят протеините на вирусната обвивка, отколкото вирусните нуклеинови киселини.Следователно, RT-PCR анализ за измерване на вирусна нуклеинова киселина може значително да подцени инактивирането на вирусите.Ефектът на Ag+ йони и генерирането на реактивни кислородни видове (ROS) трябва да са отговорни за инактивирането на тестваните вируси.Въпреки това, много аспекти на антивирусните механизми на AgNP-MHCs все още са неясни и са необходими допълнителни изследвания, използващи биотехнологични подходи, за да се изясни механизмът на високата резистентност на AdV2.

И накрая, ние оценихме устойчивостта на антивирусната активност на Ag30-MHCs, като ги изложихме на широк диапазон от pH стойности и на проби от чешмяна и повърхностна вода, преди да измерим тяхната антивирусна активност (Фиг. 3ии4).4).Излагането на условия на изключително ниско pH доведе до физическа и/или функционална загуба на AgNP от MHC (непубликувани данни).В присъствието на неспецифични частици, Ag30-MHCs постоянно показват антивирусна активност, въпреки спада в антивирусната активност срещу MS2.Антивирусната активност е най-ниска в нефилтрираната повърхностна вода, тъй като взаимодействието между Ag30-MHCs и неспецифичните частици в силно мътна повърхностна вода вероятно е причинило намаляване на антивирусната активност (Таблица 3).Следователно в бъдеще трябва да се извършват полеви оценки на AgNP-MHCs в различни видове вода (напр. с различни концентрации на сол или хуминова киселина).

В заключение, новите Ag композити, AgNP-MHCs, имат отлични антивирусни способности срещу няколко вируса, включително ϕX174 и MNV.AgNP-MHC поддържат силна ефикасност при различни условия на околната среда и тези частици могат лесно да бъдат възстановени с помощта на магнит, като по този начин се намаляват техните потенциални вредни ефекти върху човешкото здраве и околната среда.Това проучване показа, че AgNP композитът може да бъде ефективно антивирусно средство в различни условия на околната среда, без значителни екологични рискове.