Sølv nanopartikler (AgNP) anses å være et potensielt nyttig verktøy for å kontrollere ulike patogener.Imidlertid er det bekymringer om utgivelsen av AgNP i miljømedier, da de kan generere negative helseeffekter og økologiske effekter.I denne studien utviklet og evaluerte vi en ny mikrometerstørrelse magnetisk hybridkolloid (MHC) dekorert med AgNP-er (AgNP-MHC-er) av forskjellige størrelser.Etter å ha blitt brukt for desinfeksjon, kan disse partiklene enkelt gjenvinnes fra miljømedier ved å bruke deres magnetiske egenskaper og forbli effektive for å inaktivere virale patogener.Vi evaluerte effektiviteten til AgNP-MHC for inaktivering av bakteriofag ϕX174, murint norovirus (MNV) og adenovirus serotype 2 (AdV2).Disse målvirusene ble eksponert for AgNP-MHC i 1, 3 og 6 timer ved 25 °C og deretter analysert ved plakkanalyse og sanntids TaqMan PCR.AgNP-MHC-ene ble utsatt for et bredt spekter av pH-nivåer og for spring- og overflatevann for å vurdere deres antivirale effekter under forskjellige miljøforhold.Blant de tre typene av AgNP-MHC-er som ble testet, viste Ag30-MHC-er den høyeste effektiviteten for å inaktivere virusene.ϕX174 og MNV ble redusert med mer enn 2 log10 etter eksponering for 4,6 × 109 Ag30-MHCs/ml i 1 time.Disse resultatene indikerte at AgNP-MHC-ene kunne brukes til å inaktivere virale patogener med minimal sjanse for potensiell utslipp til miljøet.

Med nyere fremskritt innen nanoteknologi har nanopartikler fått økt oppmerksomhet over hele verden innen bioteknologi, medisin og folkehelse (1,2).På grunn av deres høye overflate-til-volum-forhold har materialer i nanostørrelse, typisk fra 10 til 500 nm, unike fysisk-kjemiske egenskaper sammenlignet med de til større materialer (1).Formen og størrelsen på nanomaterialer kan kontrolleres, og spesifikke funksjonelle grupper kan konjugeres på overflatene deres for å muliggjøre interaksjoner med visse proteiner eller intracellulært opptak (3,–5).

Sølv nanopartikler (AgNP) har blitt mye studert som et antimikrobielt middel (6).Sølv brukes til å lage fine bestikk, til pynt og i terapeutiske midler.Sølvforbindelser som sølvsulfadiazin og visse salter har blitt brukt som sårpleieprodukter og som behandling for infeksjonssykdommer på grunn av deres antimikrobielle egenskaper (6,7).Nyere studier har avdekket at AgNP er svært effektive for å inaktivere ulike typer bakterier og virus (8,–11).AgNP-er og Ag+-ioner frigjort fra AgNP-er interagerer direkte med fosfor- eller svovelholdige biomolekyler, inkludert DNA, RNA og proteiner (12,–14).De har også vist seg å generere reaktive oksygenarter (ROS), som forårsaker membranskade i mikroorganismer (15).Størrelsen, formen og konsentrasjonen av AgNP er også viktige faktorer som påvirker deres antimikrobielle evner (8,10,13,16,17).

Tidligere studier har også fremhevet flere problemer når AgNP-er brukes til å kontrollere patogener i et vannmiljø.For det første er eksisterende studier på effektiviteten til AgNP for inaktivering av virale patogener i vann begrenset.I tillegg er monodispergerte AgNP-er vanligvis utsatt for partikkel-partikkel-aggregering på grunn av deres lille størrelse og store overflateareal, og disse aggregatene reduserer effektiviteten til AgNP mot mikrobielle patogener (7).Til slutt har AgNP vist seg å ha forskjellige cytotoksiske effekter (5,18,–20), og frigjøring av AgNP i et vannmiljø kan føre til menneskers helse og økologiske problemer.

Nylig utviklet vi en ny mikrometerstørrelse magnetisk hybridkolloid (MHC) dekorert med AgNP-er av forskjellige størrelser (21,22).MHC-kjernen kan brukes til å gjenvinne AgNP-komposittene fra miljøet.Vi evaluerte den antivirale effekten av disse sølvnanopartikler på MHC-er (AgNP-MHC-er) ved å bruke bakteriofag ϕX174, murint norovirus (MNV) og adenovirus under forskjellige miljøforhold.

Antivirale effekter av AgNP-MHC i forskjellige konsentrasjoner mot bakteriofag ϕX174 (a), MNV (b) og AdV2 (c).Målvirus ble behandlet med forskjellige konsentrasjoner av AgNP-MHC, og med OH-MHC (4,6 × 109 partikler/ml) som en kontroll, i en rysteinkubator (150 rpm, 1 time, 25°C).Plakkanalysemetoden ble brukt for å måle overlevende virus.Verdier er gjennomsnitt ± standardavvik (SD) fra tre uavhengige eksperimenter.Stjerner indikerer betydelig forskjellige verdier (P< 0,05 ved enveis ANOVA med Dunnetts test).

Denne studien viste at AgNP-MHC er effektive for å inaktivere bakteriofager og MNV, et surrogat for humant norovirus, i vann.I tillegg kan AgNP-MHC-er enkelt gjenvinnes med en magnet, noe som effektivt forhindrer frigjøring av potensielt giftige AgNP-er i miljøet.En rekke tidligere studier har vist at konsentrasjonen og partikkelstørrelsen til AgNP er kritiske faktorer for å inaktivere målrettet mikroorganisme (8,16,17).De antimikrobielle effektene av AgNP-er avhenger også av typen mikroorganisme.Effekten av AgNP-MHC for inaktivering av ϕX174 fulgte et dose-responsforhold.Blant AgNP-MHC-ene som ble testet, hadde Ag30-MHC-er en høyere effekt for å inaktivere ϕX174 og MNV.For MNV viste bare Ag30-MHC-er antiviral aktivitet, mens de andre AgNP-MHC-ene genererte ingen signifikant inaktivering av MNV.Ingen av AgNP-MHC-ene hadde noen signifikant antiviral aktivitet mot AdV2.

I tillegg til partikkelstørrelsen var konsentrasjonen av sølv i AgNP-MHC-ene også viktig.Konsentrasjonen av sølv så ut til å bestemme effekten av de antivirale effektene av AgNP-MHC.Sølvkonsentrasjonene i løsninger av Ag07-MHCs og Ag30-MHCs ved 4,6 × 109 partikler/ml var henholdsvis 28,75 ppm og 200 ppm, og korrelerte med nivået av antiviral aktivitet.Tabell 2oppsummerer sølvkonsentrasjonene og overflatearealene til de testede AgNP-MHC-ene.Ag07-MHCs viste den laveste antivirale aktiviteten og hadde den laveste sølvkonsentrasjonen og overflatearealet, noe som tyder på at disse egenskapene er relatert til den antivirale aktiviteten til AgNP-MHCs.

Vår forrige studie indikerte at de viktigste antimikrobielle mekanismene til AgNP-MHC er kjemisk abstraksjon av Mg2+ eller Ca2+ ioner fra mikrobielle membraner, dannelse av komplekser med tiolgrupper lokalisert ved membranene, og generering av reaktive oksygenarter (ROS) (21).Fordi AgNP-MHC-er har en relativt stor partikkelstørrelse (~500 nm), er det usannsynlig at de kan trenge gjennom et viralt kapsid.I stedet ser det ut til at AgNP-MHC-er samhandler med virale overflateproteiner.AgNP-er på komposittene har en tendens til å binde tiolgruppeholdige biomolekyler innebygd i kappeproteinene til virus.Derfor er de biokjemiske egenskapene til virale kapsidproteiner viktige for å bestemme deres mottakelighet for AgNP-MHC.Figur 1viser de forskjellige følsomhetene til virusene for effektene av AgNP-MHC.Bakteriofagene ϕX174 og MNV var mottakelige for AgNP-MHC, men AdV2 var resistent.Det høye motstandsnivået til AdV2 er sannsynligvis assosiert med størrelsen og strukturen.Adenovirus varierer i størrelse fra 70 til 100 nm (30), noe som gjør dem mye større enn ϕX174 (27 til 33 nm) og MNV (28 til 35 nm) (31,32).I tillegg til sin store størrelse har adenovirus dobbelttrådet DNA, i motsetning til andre virus, og er motstandsdyktige mot ulike miljøpåkjenninger som varme og UV-stråling (33,34).Vår forrige studie rapporterte at nesten en 3-log10 reduksjon av MS2 skjedde med Ag30-MHC innen 6 timer (21).MS2 og ϕX174 har lignende størrelser med forskjellige typer nukleinsyre (RNA eller DNA), men har lignende inaktiveringshastigheter av Ag30-MHC.Derfor ser ikke nukleinsyrens natur ut til å være hovedfaktoren for resistens mot AgNP-MHC.I stedet så størrelsen og formen på viral partikkel ut til å være viktigere, fordi adenovirus er et mye større virus.Ag30-MHC-ene oppnådde nesten en 2-log10-reduksjon av M13 innen 6 timer (våre upubliserte data).M13 er enkelttrådet DNA-virus (35) og er ~880 nm i lengde og 6,6 nm i diameter (36).Hastigheten for inaktivering av den filamentøse bakteriofagen M13 var mellom de for små, rundstrukturerte virus (MNV, ϕX174 og MS2) og et stort virus (AdV2).

I denne studien var inaktiveringskinetikken til MNV signifikant forskjellig i plakkanalysen og RT-PCR-analysen (Fig. 2bogandc).c).Molekylære analyser som RT-PCR er kjent for å undervurdere inaktiveringshastigheten til virus betydelig (25,28), som ble funnet i vår studie.Fordi AgNP-MHC først og fremst interagerer med den virale overflaten, er det mer sannsynlig at de skader virale kappeproteiner i stedet for virale nukleinsyrer.Derfor kan en RT-PCR-analyse for å måle viral nukleinsyre betydelig undervurdere inaktiveringen av virus.Effekten av Ag+-ioner og generering av reaktive oksygenarter (ROS) bør være ansvarlige for inaktiveringen av de testede virusene.Imidlertid er mange aspekter ved de antivirale mekanismene til AgNP-MHC fortsatt uklare, og ytterligere forskning ved bruk av bioteknologiske tilnærminger er nødvendig for å belyse mekanismen for den høye resistensen til AdV2.

Til slutt evaluerte vi robustheten til den antivirale aktiviteten til Ag30-MHC ved å eksponere dem for et bredt spekter av pH-verdier og for tappe- og overflatevannsprøver før vi målte deres antivirale aktivitet (Fig. 3ogog4).4).Eksponering for ekstremt lave pH-forhold resulterte i fysisk og/eller funksjonelt tap av AgNP fra MHC (upubliserte data).I nærvær av uspesifikke partikler viste Ag30-MHC konsekvent antiviral aktivitet, til tross for en nedgang i antiviral aktivitet mot MS2.Den antivirale aktiviteten var lavest i ufiltrert overflatevann, da en interaksjon mellom Ag30-MHC og uspesifikke partikler i det svært grumsete overflatevannet sannsynligvis forårsaket en reduksjon av antiviral aktivitet (Tabell 3).Derfor bør feltevalueringer av AgNP-MHC i ulike typer vann (f.eks. med forskjellige saltkonsentrasjoner eller humussyre) utføres i fremtiden.

Avslutningsvis har de nye Ag-komposittene, AgNP-MHC, utmerkede antivirale egenskaper mot flere virus, inkludert ϕX174 og MNV.AgNP-MHC opprettholder sterk effekt under forskjellige miljøforhold, og disse partiklene kan enkelt gjenvinnes ved hjelp av en magnet, og dermed redusere deres potensielle skadelige effekter på menneskers helse og miljøet.Denne studien viste at AgNP-kompositten kan være et effektivt antiviralt middel i ulike miljømiljøer, uten betydelige økologiske risikoer.