Silbernanopartikel (AgNPs) gelten als potenziell nützliches Instrument zur Bekämpfung verschiedener Krankheitserreger.Es bestehen jedoch Bedenken hinsichtlich der Freisetzung von AgNPs in Umweltmedien, da diese schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt haben können.In dieser Studie haben wir ein neuartiges magnetisches Hybridkolloid (MHC) in Mikrometergröße entwickelt und bewertet, das mit AgNPs unterschiedlicher Größe (AgNP-MHCs) dekoriert ist.Nach der Desinfektion können diese Partikel mithilfe ihrer magnetischen Eigenschaften leicht aus Umgebungsmedien zurückgewonnen werden und bleiben bei der Inaktivierung viraler Krankheitserreger wirksam.Wir untersuchten die Wirksamkeit von AgNP-MHCs zur Inaktivierung des Bakteriophagen ϕX174, des murinen Norovirus (MNV) und des Adenovirus Serotyp 2 (AdV2).Diese Zielviren wurden 1, 3 und 6 Stunden lang bei 25 °C AgNP-MHCs ausgesetzt und dann mittels Plaque-Assay und Echtzeit-TaqMan-PCR analysiert.Die AgNP-MHCs wurden einem breiten pH-Bereich sowie Leitungs- und Oberflächenwasser ausgesetzt, um ihre antivirale Wirkung unter verschiedenen Umweltbedingungen zu bewerten.Unter den drei getesteten AgNP-MHC-Typen zeigten Ag30-MHCs die höchste Wirksamkeit bei der Inaktivierung der Viren.ϕX174 und MNV wurden nach einstündiger Exposition gegenüber 4,6 × 109 Ag30-MHCs/ml um mehr als 2 log10 reduziert.Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die AgNP-MHCs zur Inaktivierung viraler Krankheitserreger mit minimaler Wahrscheinlichkeit einer möglichen Freisetzung in die Umwelt verwendet werden könnten.

Mit den jüngsten Fortschritten in der Nanotechnologie haben Nanopartikel weltweit in den Bereichen Biotechnologie, Medizin und öffentliche Gesundheit zunehmende Aufmerksamkeit erhalten (1,2).Aufgrund ihres hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses haben Materialien in Nanogröße, typischerweise im Bereich von 10 bis 500 nm, im Vergleich zu denen größerer Materialien einzigartige physikalisch-chemische Eigenschaften (1).Form und Größe von Nanomaterialien können kontrolliert werden, und bestimmte funktionelle Gruppen können an ihre Oberflächen konjugiert werden, um Wechselwirkungen mit bestimmten Proteinen oder die intrazelluläre Aufnahme zu ermöglichen (3,–5).

Silbernanopartikel (AgNPs) wurden umfassend als antimikrobielles Mittel untersucht (6).Silber wird zur Herstellung von feinem Besteck, zur Verzierung und in therapeutischen Wirkstoffen verwendet.Silberverbindungen wie Silbersulfadiazin und bestimmte Salze werden aufgrund ihrer antimikrobiellen Eigenschaften als Wundpflegeprodukte und zur Behandlung von Infektionskrankheiten eingesetzt (6,7).Aktuelle Studien haben gezeigt, dass AgNPs sehr wirksam bei der Inaktivierung verschiedener Arten von Bakterien und Viren sind (8,–11).AgNPs und von AgNPs freigesetzte Ag+-Ionen interagieren direkt mit phosphor- oder schwefelhaltigen Biomolekülen, einschließlich DNA, RNA und Proteinen (12,–14).Es wurde auch gezeigt, dass sie reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugen, die bei Mikroorganismen Membranschäden verursachen (15).Die Größe, Form und Konzentration von AgNPs sind ebenfalls wichtige Faktoren, die ihre antimikrobiellen Fähigkeiten beeinflussen (8,10,13,16,17).

Frühere Studien haben auch mehrere Probleme aufgezeigt, wenn AgNPs zur Bekämpfung von Krankheitserregern in einer Wasserumgebung verwendet werden.Erstens gibt es nur begrenzte Studien zur Wirksamkeit von AgNPs zur Inaktivierung viraler Krankheitserreger im Wasser.Darüber hinaus unterliegen monodisperse AgNPs aufgrund ihrer geringen Größe und großen Oberfläche typischerweise einer Partikel-Partikel-Aggregation, und diese Aggregate verringern die Wirksamkeit von AgNPs gegen mikrobielle Krankheitserreger (7).Schließlich wurde gezeigt, dass AgNPs verschiedene zytotoxische Wirkungen haben (5,18,–20) und die Freisetzung von AgNPs in eine Wasserumgebung könnte zu gesundheitlichen und ökologischen Problemen für den Menschen führen.

Kürzlich haben wir ein neuartiges magnetisches Hybridkolloid (MHC) in Mikrometergröße entwickelt, das mit AgNPs unterschiedlicher Größe dekoriert ist (21,22).Der MHC-Kern kann zur Rückgewinnung der AgNP-Verbundstoffe aus der Umgebung verwendet werden.Wir haben die antivirale Wirksamkeit dieser Silbernanopartikel auf MHCs (AgNP-MHCs) anhand des Bakteriophagen ϕX174, des murinen Norovirus (MNV) und des Adenovirus unter verschiedenen Umgebungsbedingungen untersucht.

Antivirale Wirkung von AgNP-MHCs in verschiedenen Konzentrationen gegen die Bakteriophagen ϕX174 (a), MNV (b) und AdV2 (c).Zielviren wurden mit unterschiedlichen Konzentrationen von AgNP-MHCs und mit OH-MHCs (4,6 × 109 Partikel/ml) als Kontrolle in einem Schüttelinkubator (150 U/min, 1 h, 25 °C) behandelt.Zur Messung überlebender Viren wurde die Plaque-Assay-Methode verwendet.Die Werte sind Mittelwerte ± Standardabweichungen (SD) aus drei unabhängigen Experimenten.Sternchen weisen auf deutlich unterschiedliche Werte hin (P< 0,05 durch einfache ANOVA mit Dunnett-Test).

Diese Studie zeigte, dass AgNP-MHCs zur Inaktivierung von Bakteriophagen und MNV, einem Ersatz für menschliches Norovirus, in Wasser wirksam sind.Darüber hinaus können AgNP-MHCs leicht mit einem Magneten zurückgewonnen werden, wodurch die Freisetzung potenziell toxischer AgNPs in die Umwelt wirksam verhindert wird.Eine Reihe früherer Studien hat gezeigt, dass die Konzentration und Partikelgröße von AgNPs entscheidende Faktoren für die Inaktivierung gezielter Mikroorganismen sind (8,16,17).Die antimikrobielle Wirkung von AgNPs hängt auch von der Art des Mikroorganismus ab.Die Wirksamkeit von AgNP-MHCs zur Inaktivierung von ϕX174 folgte einer Dosis-Wirkungs-Beziehung.Unter den getesteten AgNP-MHCs hatten Ag30-MHCs eine höhere Wirksamkeit bei der Inaktivierung von ϕX174 und MNV.Bei MNV zeigten nur Ag30-MHCs eine antivirale Aktivität, während die anderen AgNP-MHCs keine signifikante Inaktivierung von MNV bewirkten.Keines der AgNP-MHCs hatte eine signifikante antivirale Aktivität gegen AdV2.

Neben der Partikelgröße war auch die Silberkonzentration in den AgNP-MHCs wichtig.Die Silberkonzentration schien die Wirksamkeit der antiviralen Wirkung von AgNP-MHCs zu bestimmen.Die Silberkonzentrationen in Lösungen von Ag07-MHCs und Ag30-MHCs bei 4,6 × 109 Partikeln/ml betrugen 28,75 ppm bzw. 200 ppm und korrelierten mit dem Grad der antiviralen Aktivität.Tabelle 2fasst die Silberkonzentrationen und Oberflächen der getesteten AgNP-MHCs zusammen.Ag07-MHCs zeigten die geringste antivirale Aktivität und hatten die niedrigste Silberkonzentration und Oberfläche, was darauf hindeutet, dass diese Eigenschaften mit der antiviralen Aktivität von AgNP-MHCs zusammenhängen.

Unsere vorherige Studie zeigte, dass die wichtigsten antimikrobiellen Mechanismen von AgNP-MHCs die chemische Abstraktion von Mg2+- oder Ca2+-Ionen aus mikrobiellen Membranen, die Bildung von Komplexen mit Thiolgruppen an den Membranen und die Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) sind (21).Da AgNP-MHCs eine relativ große Partikelgröße (ca. 500 nm) haben, ist es unwahrscheinlich, dass sie ein virales Kapsid durchdringen können.Stattdessen scheinen AgNP-MHCs mit viralen Oberflächenproteinen zu interagieren.AgNPs auf den Verbundwerkstoffen neigen dazu, thiolgruppenhaltige Biomoleküle zu binden, die in den Hüllproteinen von Viren eingebettet sind.Daher sind die biochemischen Eigenschaften viraler Kapsidproteine ​​wichtig für die Bestimmung ihrer Anfälligkeit gegenüber AgNP-MHCs.Abbildung 1zeigt die unterschiedliche Anfälligkeit der Viren gegenüber den Wirkungen von AgNP-MHCs.Die Bakteriophagen ϕX174 und MNV waren anfällig für AgNP-MHCs, AdV2 war jedoch resistent.Das hohe Resistenzniveau von AdV2 hängt wahrscheinlich mit seiner Größe und Struktur zusammen.Adenoviren haben eine Größe von 70 bis 100 nm (30), wodurch sie viel größer sind als ϕX174 (27 bis 33 nm) und MNV (28 bis 35 nm) (31,32).Zusätzlich zu ihrer Größe verfügen Adenoviren im Gegensatz zu anderen Viren über doppelsträngige DNA und sind resistent gegen verschiedene Umweltbelastungen wie Hitze und UV-Strahlung (33,34).Unsere vorherige Studie berichtete, dass mit Ag30-MHCs innerhalb von 6 Stunden eine fast 3-log10-Reduktion von MS2 auftrat (21).MS2 und ϕX174 haben ähnliche Größen mit unterschiedlichen Arten von Nukleinsäuren (RNA oder DNA), weisen jedoch ähnliche Inaktivierungsraten durch Ag30-MHCs auf.Daher scheint die Art der Nukleinsäure nicht der Hauptfaktor für die Resistenz gegen AgNP-MHCs zu sein.Stattdessen schien die Größe und Form der Viruspartikel wichtiger zu sein, da Adenoviren ein viel größeres Virus sind.Die Ag30-MHCs erreichten innerhalb von 6 Stunden eine fast 2-log10-Reduktion von M13 (unsere unveröffentlichten Daten).M13 ist ein einzelsträngiges DNA-Virus (35) und ist ∼880 nm lang und 6,6 nm im Durchmesser (36).Die Inaktivierungsrate des filamentösen Bakteriophagen M13 lag zwischen der von kleinen, rundstrukturierten Viren (MNV, ϕX174 und MS2) und der eines großen Virus (AdV2).

In der vorliegenden Studie unterschied sich die Inaktivierungskinetik von MNV im Plaque-Assay und im RT-PCR-Assay signifikant (Abb. 2bUnd​andc).c).Es ist bekannt, dass molekulare Tests wie RT-PCR die Inaktivierungsraten von Viren deutlich unterschätzen (25,28), wie in unserer Studie festgestellt wurde.Da AgNP-MHCs hauptsächlich mit der Virusoberfläche interagieren, ist es wahrscheinlicher, dass sie virale Hüllproteine ​​schädigen als virale Nukleinsäuren.Daher kann ein RT-PCR-Assay zur Messung viraler Nukleinsäure die Inaktivierung von Viren deutlich unterschätzen.Die Wirkung von Ag+-Ionen und die Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) sollten für die Inaktivierung der getesteten Viren verantwortlich sein.Allerdings sind viele Aspekte der antiviralen Mechanismen von AgNP-MHCs noch unklar, und weitere Forschung mit biotechnologischen Ansätzen ist erforderlich, um den Mechanismus der hohen Resistenz von AdV2 aufzuklären.

Schließlich haben wir die Robustheit der antiviralen Aktivität von Ag30-MHCs bewertet, indem wir sie einem breiten pH-Wert-Bereich sowie Leitungs- und Oberflächenwasserproben ausgesetzt haben, bevor wir ihre antivirale Aktivität gemessen haben (Abb. 3Und​und4).4).Die Einwirkung extrem niedriger pH-Werte führte zum physikalischen und/oder funktionellen Verlust von AgNPs aus dem MHC (unveröffentlichte Daten).In Gegenwart unspezifischer Partikel zeigten Ag30-MHCs trotz eines Rückgangs der antiviralen Aktivität gegen MS2 durchweg eine antivirale Aktivität.Die antivirale Aktivität war in ungefiltertem Oberflächenwasser am niedrigsten, da eine Wechselwirkung zwischen Ag30-MHCs und unspezifischen Partikeln im stark trüben Oberflächenwasser wahrscheinlich zu einer Verringerung der antiviralen Aktivität führte (Tisch 3).Daher sollten in Zukunft Felduntersuchungen von AgNP-MHCs in verschiedenen Wasserarten (z. B. mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen oder Huminsäure) durchgeführt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die neuen Ag-Komposite, AgNP-MHCs, hervorragende antivirale Eigenschaften gegen mehrere Viren haben, darunter ϕX174 und MNV.AgNP-MHCs behalten ihre starke Wirksamkeit unter verschiedenen Umgebungsbedingungen bei, und diese Partikel können mithilfe eines Magneten leicht zurückgewonnen werden, wodurch ihre potenziell schädlichen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt verringert werden.Diese Studie zeigte, dass der AgNP-Verbundstoff in verschiedenen Umweltumgebungen ein wirksames antivirales Mittel sein kann, ohne dass erhebliche ökologische Risiken bestehen.