Nanopartikel perak (AgNPs) dianggap sebagai alat yang berpotensi berguna untuk mengendalikan berbagai patogen.Namun, ada kekhawatiran mengenai pelepasan AgNP ke media lingkungan, karena dapat menimbulkan dampak buruk terhadap kesehatan manusia dan ekologi.Dalam penelitian ini, kami mengembangkan dan mengevaluasi koloid hibrida magnetik (MHC) berukuran mikrometer baru yang dihiasi dengan AgNP dengan berbagai ukuran (AgNP-MHCs).Setelah digunakan untuk disinfeksi, partikel-partikel ini dapat dengan mudah diperoleh kembali dari media lingkungan menggunakan sifat magnetiknya dan tetap efektif untuk menonaktifkan patogen virus.Kami mengevaluasi kemanjuran AgNP-MHCs untuk menonaktifkan bakteriofag ϕX174, murine norovirus (MNV), dan adenovirus serotipe 2 (AdV2).Virus target ini dipaparkan pada AgNP-MHCs selama 1, 3, dan 6 jam pada suhu 25°C dan kemudian dianalisis dengan uji plak dan PCR TaqMan real-time.AgNP-MHCs dipaparkan pada berbagai tingkat pH dan pada air keran serta air permukaan untuk menilai efek antivirusnya pada kondisi lingkungan yang berbeda.Di antara tiga jenis AgNP-MHC yang diuji, Ag30-MHCs menunjukkan kemanjuran tertinggi dalam menonaktifkan virus.ϕX174 dan MNV berkurang lebih dari 2 log10 setelah terpapar 4,6 × 109 Ag30-MHCs/ml selama 1 jam.Hasil ini menunjukkan bahwa AgNP-MHCs dapat digunakan untuk menonaktifkan patogen virus dengan kemungkinan pelepasan yang minimal ke lingkungan.

Dengan kemajuan terbaru dalam nanoteknologi, nanopartikel telah menerima peningkatan perhatian di seluruh dunia dalam bidang bioteknologi, kedokteran, dan kesehatan masyarakat (1,2).Karena rasio permukaan terhadap volume yang tinggi, material berukuran nano, biasanya berkisar antara 10 hingga 500 nm, memiliki sifat fisikokimia yang unik dibandingkan dengan material yang lebih besar (1).Bentuk dan ukuran bahan nano dapat dikontrol, dan gugus fungsi spesifik dapat terkonjugasi pada permukaannya untuk memungkinkan interaksi dengan protein tertentu atau serapan intraseluler (3,–5).

Nanopartikel perak (AgNPs) telah banyak dipelajari sebagai agen antimikroba (6).Perak digunakan dalam pembuatan peralatan makan yang bagus, untuk hiasan, dan sebagai bahan terapi.Senyawa perak seperti perak sulfadiazin dan garam tertentu telah digunakan sebagai produk perawatan luka dan pengobatan penyakit menular karena sifat antimikrobanya (6,7).Penelitian terbaru mengungkapkan bahwa AgNPs sangat efektif untuk menonaktifkan berbagai jenis bakteri dan virus (8,–11).Ion AgNP dan Ag+ yang dilepaskan dari AgNP berinteraksi langsung dengan biomolekul yang mengandung fosfor atau sulfur, termasuk DNA, RNA, dan protein (12,–14).Mereka juga telah terbukti menghasilkan spesies oksigen reaktif (ROS), yang menyebabkan kerusakan membran pada mikroorganisme (15).Ukuran, bentuk, dan konsentrasi AgNP juga merupakan faktor penting yang mempengaruhi kemampuan antimikrobanya (8,10,13,16,17).

Penelitian sebelumnya juga menyoroti beberapa masalah ketika AgNP digunakan untuk mengendalikan patogen di lingkungan air.Pertama, penelitian yang ada mengenai efektivitas AgNP untuk menonaktifkan patogen virus di air masih terbatas.Selain itu, AgNP yang monodispersi biasanya mengalami agregasi partikel-partikel karena ukurannya yang kecil dan luas permukaan yang besar, dan agregat ini mengurangi efektivitas AgNP terhadap mikroba patogen (7).Akhirnya, AgNP telah terbukti memiliki berbagai efek sitotoksik (5,18,–20), dan pelepasan AgNP ke lingkungan perairan dapat mengakibatkan masalah kesehatan manusia dan ekologi.

Baru-baru ini, kami mengembangkan koloid hibrida magnetik (MHC) berukuran mikrometer baru yang dihiasi dengan AgNP berbagai ukuran (21,22).Inti MHC dapat digunakan untuk memulihkan komposit AgNP dari lingkungan.Kami mengevaluasi kemanjuran antivirus dari nanopartikel perak ini pada MHC (AgNP-MHCs) menggunakan bakteriofag ϕX174, murine norovirus (MNV), dan adenovirus dalam kondisi lingkungan yang berbeda.

Efek antivirus AgNP-MHCs pada berbagai konsentrasi terhadap bakteriofag ϕX174 (a), MNV (b), dan AdV2 (c).Virus target diobati dengan konsentrasi AgNP-MHCs yang berbeda, dan dengan OH-MHCs (4,6 × 109 partikel/ml) sebagai kontrol, dalam inkubator pengocokan (150 rpm, 1 jam, 25°C).Metode uji plak digunakan untuk mengukur virus yang masih hidup.Nilai adalah rata-rata ± standar deviasi (SD) dari tiga percobaan independen.Tanda bintang menunjukkan nilai yang berbeda nyata (P<0,05 dengan ANOVA satu arah dengan uji Dunnett).

Studi ini menunjukkan bahwa AgNP-MHCs efektif untuk menonaktifkan bakteriofag dan MNV, pengganti norovirus manusia, dalam air.Selain itu, AgNP-MHC dapat dengan mudah diperoleh kembali dengan magnet, sehingga secara efektif mencegah pelepasan AgNP yang berpotensi beracun ke lingkungan.Sejumlah penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa konsentrasi dan ukuran partikel AgNP merupakan faktor penting untuk menonaktifkan mikroorganisme target (8,16,17).Efek antimikroba AgNP juga bergantung pada jenis mikroorganisme.Kemanjuran AgNP-MHCs untuk menonaktifkan ϕX174 mengikuti hubungan dosis-respons.Di antara AgNP-MHC yang diuji, Ag30-MHCs memiliki kemanjuran yang lebih tinggi untuk menonaktifkan ϕX174 dan MNV.Untuk MNV, hanya Ag30-MHC yang menunjukkan aktivitas antivirus, sedangkan AgNP-MHC lainnya tidak menghasilkan inaktivasi MNV secara signifikan.Tak satu pun dari AgNP-MHC memiliki aktivitas antivirus yang signifikan terhadap AdV2.

Selain ukuran partikel, konsentrasi perak dalam AgNP-MHC juga penting.Konsentrasi perak tampaknya menentukan kemanjuran efek antivirus AgNP-MHCs.Konsentrasi perak dalam larutan Ag07-MHCs dan Ag30-MHCs pada 4,6 × 109 partikel/ml masing-masing adalah 28,75 ppm dan 200 ppm, dan berkorelasi dengan tingkat aktivitas antivirus.Meja 2merangkum konsentrasi perak dan luas permukaan AgNP-MHC yang diuji.Ag07-MHCs menunjukkan aktivitas antivirus terendah dan memiliki konsentrasi perak serta luas permukaan terendah, menunjukkan bahwa sifat-sifat ini terkait dengan aktivitas antivirus AgNP-MHCs.

Penelitian kami sebelumnya menunjukkan bahwa mekanisme antimikroba utama AgNP-MHCs adalah abstraksi kimia ion Mg2+ atau Ca2+ dari membran mikroba, pembentukan kompleks dengan gugus tiol yang terletak di membran, dan pembentukan spesies oksigen reaktif (ROS) (21).Karena AgNP-MHC memiliki ukuran partikel yang relatif besar (∼500 nm), kecil kemungkinannya mereka dapat menembus kapsid virus.Sebaliknya, AgNP-MHC tampaknya berinteraksi dengan protein permukaan virus.AgNP pada komposit cenderung mengikat biomolekul yang mengandung gugus tiol yang tertanam dalam protein selubung virus.Oleh karena itu, sifat biokimia protein kapsid virus penting untuk menentukan kerentanannya terhadap AgNP-MHCs.Gambar 1menunjukkan perbedaan kerentanan virus terhadap efek AgNP-MHCs.Bakteriofag ϕX174 dan MNV rentan terhadap AgNP-MHCs, tetapi AdV2 resisten.Tingkat resistensi yang tinggi dari AdV2 kemungkinan besar terkait dengan ukuran dan strukturnya.Ukuran Adenovirus berkisar antara 70 hingga 100 nm (30), menjadikannya jauh lebih besar dari ϕX174 (27 hingga 33 nm) dan MNV (28 hingga 35 nm) (31,32).Selain ukurannya yang besar, adenovirus memiliki DNA beruntai ganda, tidak seperti virus lainnya, dan tahan terhadap berbagai tekanan lingkungan seperti panas dan radiasi UV (33,34).Penelitian kami sebelumnya melaporkan bahwa pengurangan MS2 hampir 3-log10 terjadi dengan Ag30-MHCs dalam waktu 6 jam (21).MS2 dan ϕX174 memiliki ukuran yang sama dengan jenis asam nukleat yang berbeda (RNA atau DNA) tetapi memiliki tingkat inaktivasi yang serupa oleh Ag30-MHCs.Oleh karena itu, sifat asam nukleat tampaknya tidak menjadi faktor utama resistensi terhadap AgNP-MHCs.Sebaliknya, ukuran dan bentuk partikel virus tampaknya lebih penting, karena adenovirus adalah virus yang jauh lebih besar.Ag30-MHCs mencapai pengurangan M13 hampir 2-log10 dalam waktu 6 jam (data kami tidak dipublikasikan).M13 adalah virus DNA beruntai tunggal (35) dan panjangnya ∼880 nm dan diameter 6,6 nm (36).Tingkat inaktivasi bakteriofag berfilamen M13 berada di antara virus kecil berstruktur bulat (MNV, ϕX174, dan MS2) dan virus besar (AdV2).

Dalam penelitian ini, kinetika inaktivasi MNV berbeda secara signifikan pada uji plak dan uji RT-PCR (Gambar 2bDan​danc).c).Uji molekuler seperti RT-PCR diketahui secara signifikan meremehkan tingkat inaktivasi virus (25,28), seperti yang ditemukan dalam penelitian kami.Karena AgNP-MHC berinteraksi terutama dengan permukaan virus, mereka lebih mungkin merusak protein selubung virus dibandingkan asam nukleat virus.Oleh karena itu, uji RT-PCR untuk mengukur asam nukleat virus mungkin meremehkan inaktivasi virus secara signifikan.Pengaruh ion Ag+ dan pembentukan spesies oksigen reaktif (ROS) seharusnya bertanggung jawab atas inaktivasi virus yang diuji.Namun, banyak aspek mekanisme antivirus AgNP-MHCs yang masih belum jelas, dan penelitian lebih lanjut menggunakan pendekatan bioteknologi diperlukan untuk menjelaskan mekanisme tingginya resistensi AdV2.

Terakhir, kami mengevaluasi kekuatan aktivitas antivirus Ag30-MHC dengan memaparkannya pada rentang nilai pH yang luas dan dengan mengambil sampel air keran dan permukaan sebelum mengukur aktivitas antivirusnya (Gambar 3Dandan4).4).Paparan terhadap kondisi pH yang sangat rendah mengakibatkan hilangnya AgNP secara fisik dan/atau fungsional dari MHC (data tidak dipublikasikan).Di hadapan partikel nonspesifik, Ag30-MHC secara konsisten menunjukkan aktivitas antivirus, meskipun terjadi penurunan aktivitas antivirus terhadap MS2.Aktivitas antivirus paling rendah terjadi pada air permukaan yang tidak disaring, karena interaksi antara Ag30-MHC dan partikel nonspesifik dalam air permukaan yang sangat keruh mungkin menyebabkan penurunan aktivitas antivirus (Tabel 3).Oleh karena itu, evaluasi lapangan terhadap AgNP-MHC pada berbagai jenis air (misalnya, dengan konsentrasi garam atau asam humat yang berbeda) harus dilakukan di masa mendatang.

Kesimpulannya, komposit Ag baru, AgNP-MHCs, memiliki kemampuan antivirus yang sangat baik terhadap beberapa virus, termasuk ϕX174 dan MNV.AgNP-MHCs mempertahankan kemanjuran yang kuat dalam kondisi lingkungan yang berbeda, dan partikel-partikel ini dapat dengan mudah diperoleh kembali menggunakan magnet, sehingga mengurangi potensi dampak berbahaya terhadap kesehatan manusia dan lingkungan.Studi ini menunjukkan bahwa komposit AgNP dapat menjadi antivirus yang efektif di berbagai lingkungan, tanpa risiko ekologis yang signifikan.