Sølv nanopartikler (AgNP'er) anses for at være et potentielt nyttigt værktøj til at kontrollere forskellige patogener.Der er dog bekymringer om frigivelsen af ​​AgNP'er i miljømedier, da de kan generere negative sundhedsmæssige og økologiske effekter.I denne undersøgelse udviklede og evaluerede vi en ny mikrometerstørrelse magnetisk hybridkolloid (MHC) dekoreret med AgNP'er af forskellig størrelse (AgNP-MHC'er).Efter at være blevet anvendt til desinfektion, kan disse partikler let genvindes fra miljømedier ved hjælp af deres magnetiske egenskaber og forblive effektive til inaktivering af virale patogener.Vi evaluerede effektiviteten af ​​AgNP-MHC'er til inaktivering af bakteriofag ϕX174, murint norovirus (MNV) og adenovirus serotype 2 (AdV2).Disse målvira blev eksponeret for AgNP-MHC'er i 1, 3 og 6 timer ved 25°C og derefter analyseret ved plakassay og TaqMan-PCR i realtid.AgNP-MHC'erne blev udsat for en bred vifte af pH-niveauer og for post- og overfladevand for at vurdere deres antivirale virkninger under forskellige miljøforhold.Blandt de tre testede typer AgNP-MHC'er udviste Ag30-MHC'er den højeste effektivitet til inaktivering af vira.ϕX174 og MNV blev reduceret med mere end 2 log10 efter eksponering for 4,6 × 109 Ag30-MHCs/ml i 1 time.Disse resultater indikerede, at AgNP-MHC'erne kunne bruges til at inaktivere virale patogener med minimal chance for potentiel frigivelse i miljøet.

Med de seneste fremskridt inden for nanoteknologi har nanopartikler fået øget opmærksomhed verden over inden for bioteknologi, medicin og folkesundhed (1,2).På grund af deres høje overflade-til-volumen-forhold har materialer i nanostørrelse, typisk fra 10 til 500 nm, unikke fysisk-kemiske egenskaber sammenlignet med større materialer (1).Formen og størrelsen af ​​nanomaterialer kan kontrolleres, og specifikke funktionelle grupper kan konjugeres på deres overflader for at muliggøre interaktioner med visse proteiner eller intracellulær optagelse (3,–5).

Sølv nanopartikler (AgNP'er) er blevet undersøgt bredt som et antimikrobielt middel (6).Sølv bruges til fremstilling af fint bestik, til ornamentering og i terapeutiske midler.Sølvforbindelser såsom sølvsulfadiazin og visse salte er blevet brugt som sårplejeprodukter og som behandlinger for infektionssygdomme på grund af deres antimikrobielle egenskaber (6,7).Nylige undersøgelser har afsløret, at AgNP'er er meget effektive til at inaktivere forskellige typer bakterier og vira (8,–11).AgNP'er og Ag+ ioner frigivet fra AgNP'er interagerer direkte med phosphor- eller svovlholdige biomolekyler, herunder DNA, RNA og proteiner (12,–14).De har også vist sig at generere reaktive oxygenarter (ROS), der forårsager membranskade i mikroorganismer (15).Størrelsen, formen og koncentrationen af ​​AgNP'er er også vigtige faktorer, der påvirker deres antimikrobielle evner (8,10,13,16,17).

Tidligere undersøgelser har også fremhævet flere problemer, når AgNP'er bruges til at kontrollere patogener i et vandmiljø.For det første er eksisterende undersøgelser af effektiviteten af ​​AgNP'er til inaktivering af virale patogener i vand begrænsede.Derudover er monodispers AgNP'er typisk udsat for partikel-partikel-aggregering på grund af deres lille størrelse og store overfladeareal, og disse aggregater reducerer effektiviteten af ​​AgNP'er mod mikrobielle patogener (7).Endelig har AgNP'er vist sig at have forskellige cytotoksiske virkninger (5,18,–20), og frigivelse af AgNP'er i et vandmiljø kan resultere i menneskers sundhed og økologiske problemer.

For nylig udviklede vi en ny mikrometerstørrelse magnetisk hybridkolloid (MHC) dekoreret med AgNP'er af forskellige størrelser (21,22).MHC-kernen kan bruges til at genvinde AgNP-kompositterne fra miljøet.Vi evaluerede den antivirale effektivitet af disse sølvnanopartikler på MHC'er (AgNP-MHC'er) ved hjælp af bakteriofag ϕX174, murint norovirus (MNV) og adenovirus under forskellige miljøforhold.

Antivirale virkninger af AgNP-MHC'er i forskellige koncentrationer mod bakteriofag ϕX174 (a), MNV (b) og AdV2 (c).Målvirus blev behandlet med forskellige koncentrationer af AgNP-MHC'er og med OH-MHC'er (4,6 × 109 partikler/ml) som kontrol i en rysteinkubator (150 rpm, 1 time, 25°C).Plaque assay-metoden blev brugt til at måle overlevende vira.Værdier er middelværdier ± standardafvigelser (SD) fra tre uafhængige eksperimenter.Stjerner angiver væsentligt forskellige værdier (P< 0,05 ved envejs ANOVA med Dunnetts test).

Denne undersøgelse viste, at AgNP-MHC'er er effektive til inaktivering af bakteriofager og MNV, et surrogat for humant norovirus, i vand.Derudover kan AgNP-MHC'er let genvindes med en magnet, hvilket effektivt forhindrer frigivelse af potentielt giftige AgNP'er i miljøet.En række tidligere undersøgelser har vist, at koncentrationen og partikelstørrelsen af ​​AgNP'er er kritiske faktorer for inaktivering af målrettet mikroorganisme (8,16,17).De antimikrobielle virkninger af AgNP'er afhænger også af typen af ​​mikroorganisme.Effektiviteten af ​​AgNP-MHC'er til inaktivering af ϕX174 fulgte et dosis-respons forhold.Blandt de testede AgNP-MHC'er havde Ag30-MHC'er en højere effektivitet til inaktivering af ϕX174 og MNV.For MNV viste kun Ag30-MHC'er antiviral aktivitet, mens de andre AgNP-MHC'er ikke genererede nogen signifikant inaktivering af MNV.Ingen af ​​AgNP-MHC'erne havde nogen signifikant antiviral aktivitet mod AdV2.

Ud over partikelstørrelsen var koncentrationen af ​​sølv i AgNP-MHC'erne også vigtig.Koncentrationen af ​​sølv så ud til at bestemme effektiviteten af ​​de antivirale virkninger af AgNP-MHC'er.Sølvkoncentrationerne i opløsninger af Ag07-MHCs og Ag30-MHCs ved 4,6 × 109 partikler/ml var henholdsvis 28,75 ppm og 200 ppm og korrelerede med niveauet af antiviral aktivitet.Tabel 2opsummerer sølvkoncentrationerne og overfladearealerne af de testede AgNP-MHC'er.Ag07-MHC'er udviste den laveste antivirale aktivitet og havde den laveste sølvkoncentration og overfladeareal, hvilket tyder på, at disse egenskaber er relateret til den antivirale aktivitet af AgNP-MHC'er.

Vores tidligere undersøgelse viste, at de vigtigste antimikrobielle mekanismer af AgNP-MHC'er er den kemiske udvinding af Mg2+ eller Ca2+ ioner fra mikrobielle membraner, dannelsen af ​​komplekser med thiolgrupper placeret ved membranerne og dannelsen af ​​reaktive oxygenarter (ROS) (21).Fordi AgNP-MHC'er har en relativt stor partikelstørrelse (~500 nm), er det usandsynligt, at de kan trænge ind i et viralt capsid.I stedet ser det ud til, at AgNP-MHC'er interagerer med virale overfladeproteiner.AgNP'er på kompositterne har en tendens til at binde thiolgruppeholdige biomolekyler indlejret i kappeproteiner af vira.Derfor er de biokemiske egenskaber af virale capsidproteiner vigtige for at bestemme deres modtagelighed for AgNP-MHC'er.figur 1viser viraernes forskellige modtagelighed for virkningerne af AgNP-MHC'er.Bakteriofagerne ϕX174 og MNV var modtagelige for AgNP-MHC'er, men AdV2 var resistent.Det høje modstandsniveau af AdV2 er sandsynligvis forbundet med dets størrelse og struktur.Adenovira varierer i størrelse fra 70 til 100 nm (30), hvilket gør dem meget større end ϕX174 (27 til 33 nm) og MNV (28 til 35 nm) (31,32).Ud over deres store størrelse har adenovira dobbeltstrenget DNA, i modsætning til andre vira, og er modstandsdygtige over for forskellige miljøbelastninger såsom varme og UV-stråling (33,34).Vores tidligere undersøgelse rapporterede, at næsten en 3-log10-reduktion af MS2 forekom med Ag30-MHC'er inden for 6 timer (21).MS2 og ϕX174 har lignende størrelser med forskellige typer nukleinsyre (RNA eller DNA), men har lignende hastigheder for inaktivering af Ag30-MHC'er.Derfor ser nukleinsyrens natur ikke ud til at være hovedfaktoren for resistens over for AgNP-MHC'er.I stedet syntes størrelsen og formen af ​​viral partikel at være vigtigere, fordi adenovirus er en meget større virus.Ag30-MHC'erne opnåede næsten en 2-log10 reduktion af M13 inden for 6 timer (vores upublicerede data).M13 er enkeltstrenget DNA-virus (35) og er ~880 nm i længden og 6,6 nm i diameter (36).Hastigheden af ​​inaktivering af den filamentøse bakteriofag M13 var mellem hastigheden af ​​små, rundstrukturerede vira (MNV, ϕX174 og MS2) og en stor virus (AdV2).

I denne undersøgelse var inaktiveringskinetikken af ​​MNV signifikant forskellig i plakassayet og RT-PCR-assayet (Fig. 2bogandc).c).Molekylære assays såsom RT-PCR er kendt for at undervurdere inaktiveringshastigheden af ​​vira markant (25,28), som det blev fundet i vores undersøgelse.Fordi AgNP-MHC'er primært interagerer med den virale overflade, er de mere tilbøjelige til at beskadige virale kappeproteiner i stedet for virale nukleinsyrer.Derfor kan et RT-PCR-assay til måling af viral nukleinsyre betydeligt undervurdere inaktiveringen af ​​vira.Virkningen af ​​Ag+ ioner og dannelsen af ​​reaktive oxygenarter (ROS) bør være ansvarlige for inaktiveringen af ​​de testede vira.Imidlertid er mange aspekter af de antivirale mekanismer af AgNP-MHC'er stadig uklare, og yderligere forskning ved hjælp af bioteknologiske tilgange er påkrævet for at belyse mekanismen bag den høje resistens af AdV2.

Til sidst evaluerede vi robustheden af ​​den antivirale aktivitet af Ag30-MHC'er ved at udsætte dem for en lang række pH-værdier og for lednings- og overfladevandsprøver, før vi målte deres antivirale aktivitet (Fig. 3ogog4).4).Eksponering for ekstremt lave pH-forhold resulterede i fysisk og/eller funktionelt tab af AgNP'er fra MHC (upublicerede data).I nærvær af ikke-specifikke partikler udviste Ag30-MHC'er konsekvent antiviral aktivitet på trods af et fald i den antivirale aktivitet mod MS2.Den antivirale aktivitet var lavest i ufiltreret overfladevand, da en interaktion mellem Ag30-MHC'er og uspecifikke partikler i det meget grumsete overfladevand sandsynligvis forårsagede en reduktion af antiviral aktivitet (Tabel 3).Derfor bør feltevalueringer af AgNP-MHC'er i forskellige typer vand (f.eks. med forskellige saltkoncentrationer eller humussyre) udføres i fremtiden.

Afslutningsvis har de nye Ag-kompositter, AgNP-MHC'er, fremragende antivirale egenskaber mod adskillige vira, herunder ϕX174 og MNV.AgNP-MHC'er opretholder stærk effektivitet under forskellige miljøforhold, og disse partikler kan let genvindes ved hjælp af en magnet, hvilket reducerer deres potentielle skadelige virkninger på menneskers sundhed og miljøet.Denne undersøgelse viste, at AgNP-kompositten kan være et effektivt antiviralt middel i forskellige miljøforhold uden væsentlige økologiske risici.