Nanočastice striebra (AgNP) sa považujú za potenciálne užitočný nástroj na kontrolu rôznych patogénov.Existujú však obavy z uvoľňovania AgNP do environmentálnych médií, pretože môžu vytvárať nepriaznivé účinky na ľudské zdravie a ekologické účinky.V tejto štúdii sme vyvinuli a vyhodnotili nový mikrometrový magnetický hybridný koloid (MHC) zdobený rôzne veľkými AgNP (AgNP-MHC).Po použití na dezinfekciu sa tieto častice dajú ľahko získať z prostredia prostredia pomocou ich magnetických vlastností a zostávajú účinné pri inaktivácii vírusových patogénov.Hodnotili sme účinnosť AgNP-MHC na inaktiváciu bakteriofága ϕX174, myší norovírus (MNV) a adenovírusový sérotyp 2 (AdV2).Tieto cieľové vírusy boli vystavené AgNP-MHC počas 1, 3 a 6 hodín pri 25 ° C a potom analyzované plakovým testom a TaqMan PCR v reálnom čase.AgNP-MHC boli vystavené širokému rozsahu úrovní pH a vodovodnej a povrchovej vode, aby sa posúdili ich antivírusové účinky v rôznych podmienkach prostredia.Spomedzi troch testovaných typov AgNP-MHC vykazovali Ag30-MHC najvyššiu účinnosť pri inaktivácii vírusov.ϕX174 a MNV sa znížili o viac ako 2 log10 po expozícii 4, 6 x 109 Ag30-MHC/ml počas 1 hodiny.Tieto výsledky naznačujú, že AgNP-MHC by sa mohli použiť na inaktiváciu vírusových patogénov s minimálnou možnosťou potenciálneho uvoľnenia do životného prostredia.

S nedávnym pokrokom v nanotechnológii sa nanočasticiam venuje zvýšená pozornosť na celom svete v oblasti biotechnológie, medicíny a verejného zdravia (1,2).Vďaka vysokému pomeru povrchu k objemu majú nano-veľkosti materiály, typicky v rozsahu od 10 do 500 nm, jedinečné fyzikálno-chemické vlastnosti v porovnaní s väčšími materiálmi (1).Tvar a veľkosť nanomateriálov je možné kontrolovať a na ich povrchoch je možné konjugovať špecifické funkčné skupiny, aby sa umožnili interakcie s určitými proteínmi alebo intracelulárny príjem (3,–5).

Nanočastice striebra (AgNP) boli široko študované ako antimikrobiálne činidlo (6).Striebro sa používa na výrobu jemných príborov, na zdobenie a v terapeutických prostriedkoch.Zlúčeniny striebra, ako je sulfadiazín strieborný a určité soli, sa vďaka svojim antimikrobiálnym vlastnostiam používali ako produkty na ošetrovanie rán a na liečbu infekčných chorôb (6,7).Nedávne štúdie odhalili, že AgNP sú veľmi účinné pri inaktivácii rôznych typov baktérií a vírusov (8,–11).AgNP a Ag+ ióny uvoľnené z AgNP interagujú priamo s biomolekulami obsahujúcimi fosfor alebo síru, vrátane DNA, RNA a proteínov (12,–14).Ukázalo sa tiež, že vytvárajú reaktívne formy kyslíka (ROS), ktoré spôsobujú poškodenie membrán v mikroorganizmoch (15).Veľkosť, tvar a koncentrácia AgNP sú tiež dôležitými faktormi, ktoré ovplyvňujú ich antimikrobiálne schopnosti (8,10,13,16,17).

Predchádzajúce štúdie tiež zdôraznili niekoľko problémov, keď sa AgNP používajú na kontrolu patogénov vo vodnom prostredí.Po prvé, existujúce štúdie o účinnosti AgNP na inaktiváciu vírusových patogénov vo vode sú obmedzené.Okrem toho monodispergované AgNP zvyčajne podliehajú agregácii častice-častice kvôli ich malej veľkosti a veľkému povrchu a tieto agregáty znižujú účinnosť AgNP proti mikrobiálnym patogénom (7).Nakoniec sa ukázalo, že AgNP majú rôzne cytotoxické účinky (5,18,–20) a uvoľňovanie AgNP do vodného prostredia by mohlo mať za následok ľudské zdravie a ekologické problémy.

Nedávno sme vyvinuli nový mikrometrový magnetický hybridný koloid (MHC) zdobený AgNP rôznych veľkostí (21,22).Jadro MHC sa môže použiť na získanie kompozitov AgNP z prostredia.Hodnotili sme antivírusovú účinnosť týchto nanočastíc striebra na MHC (AgNP-MHC) pomocou bakteriofága ϕX174, myšieho norovírusu (MNV) a adenovírusu za rôznych podmienok prostredia.

Antivírusové účinky AgNP-MHC v rôznych koncentráciách proti bakteriofágu ϕX174 (a), MNV (b) a AdV2 (c).Cieľové vírusy boli ošetrené rôznymi koncentráciami AgNP-MHC a OH-MHC (4,6 x 109 častíc/ml) ako kontrolou v trepacom inkubátore (150 ot./min., 1 h, 25 °C).Na meranie prežívajúcich vírusov sa použila metóda plakového testu.Hodnoty sú priemery ± štandardné odchýlky (SD) z troch nezávislých experimentov.Hviezdičky označujú výrazne odlišné hodnoty (P< 0,05 jednosmernou ANOVA s Dunnettovým testom).

Táto štúdia preukázala, že AgNP-MHC sú účinné pri inaktivácii bakteriofágov a MNV, náhrady za ľudský norovírus, vo vode.Okrem toho sa AgNP-MHC dajú ľahko získať pomocou magnetu, čím sa účinne zabráni uvoľňovaniu potenciálne toxických AgNP do životného prostredia.Niekoľko predchádzajúcich štúdií ukázalo, že koncentrácia a veľkosť častíc AgNP sú kritickými faktormi pre inaktiváciu cieľových mikroorganizmov (8,16,17).Antimikrobiálne účinky AgNP závisia aj od typu mikroorganizmu.Účinnosť AgNP-MHC na inaktiváciu ϕX174 sledovala vzťah medzi dávkou a odozvou.Spomedzi testovaných AgNP-MHC mali Ag30-MHC vyššiu účinnosť pri inaktivácii ϕX174 a MNV.V prípade MNV vykazovali antivírusovú aktivitu iba Ag30-MHC, pričom ostatné AgNP-MHC nevyvolávali žiadnu významnú inaktiváciu MNV.Žiadny z AgNP-MHC nemal žiadnu významnú antivírusovú aktivitu proti AdV2.

Okrem veľkosti častíc bola dôležitá aj koncentrácia striebra v AgNP-MHC.Zdá sa, že koncentrácia striebra určuje účinnosť antivírusových účinkov AgNP-MHC.Koncentrácie striebra v roztokoch Ag07-MHC a Ag30-MHC pri 4,6 x 109 častíc/ml boli 28,75 ppm a 200 ppm a korelovali s úrovňou antivírusovej aktivity.Tabuľka 2sumarizuje koncentrácie striebra a povrchové plochy testovaných AgNP-MHC.Ag07-MHC vykazovali najnižšiu antivírusovú aktivitu a mali najnižšiu koncentráciu striebra a povrchovú plochu, čo naznačuje, že tieto vlastnosti súvisia s antivírusovou aktivitou AgNP-MHC.

Naša predchádzajúca štúdia naznačila, že hlavnými antimikrobiálnymi mechanizmami AgNP-MHC sú chemická abstrakcia iónov Mg2+ alebo Ca2+ z mikrobiálnych membrán, vytváranie komplexov s tiolovými skupinami umiestnenými na membránach a tvorba reaktívnych foriem kyslíka (ROS) (21).Pretože AgNP-MHC majú relatívne veľkú veľkosť častíc (~ 500 nm), je nepravdepodobné, že by mohli preniknúť do vírusovej kapsidy.Namiesto toho sa zdá, že AgNP-MHC interagujú s vírusovými povrchovými proteínmi.AgNP na kompozitoch majú tendenciu viazať biomolekuly obsahujúce tiolové skupiny zabudované do obalových proteínov vírusov.Preto sú biochemické vlastnosti vírusových kapsidových proteínov dôležité na určenie ich citlivosti na AgNP-MHC.postava 1ukazuje rôznu citlivosť vírusov na účinky AgNP-MHC.Bakteriofágy ϕX174 a MNV boli citlivé na AgNP-MHC, ale AdV2 bol rezistentný.Vysoká úroveň odolnosti AdV2 je pravdepodobne spojená s jeho veľkosťou a štruktúrou.Adenovírusy majú veľkosť od 70 do 100 nm (30), vďaka čomu sú oveľa väčšie ako ϕX174 (27 až 33 nm) a MNV (28 až 35 nm) (31,32).Okrem svojej veľkej veľkosti majú adenovírusy na rozdiel od iných vírusov dvojvláknovú DNA a sú odolné voči rôznym environmentálnym stresom, ako je teplo a UV žiarenie (33,34).Naša predchádzajúca štúdia uviedla, že takmer 3-log10 zníženie MS2 nastalo s Ag30-MHC do 6 hodín (21).MS2 a ϕX174 majú podobné veľkosti s rôznymi typmi nukleových kyselín (RNA alebo DNA), ale majú podobné rýchlosti inaktivácie pomocou Ag30-MHC.Preto sa povaha nukleovej kyseliny nezdá byť hlavným faktorom rezistencie voči AgNP-MHC.Namiesto toho sa veľkosť a tvar vírusovej častice javili ako dôležitejšie, pretože adenovírus je oveľa väčší vírus.Ag30-MHC dosiahli takmer 2-log10 zníženie M13 do 6 hodín (naše nepublikované údaje).M13 je jednovláknový DNA vírus (35) a má dĺžku ~ 880 nm a priemer 6,6 nm (36).Rýchlosť inaktivácie vláknitého bakteriofágu M13 bola medzi mierami malých vírusov s okrúhlou štruktúrou (MNV, ϕX174 a MS2) a veľkého vírusu (AdV2).

V tejto štúdii sa kinetika inaktivácie MNV významne líšila v teste plakov a teste RT-PCR (Obr. 2baac).c).Je známe, že molekulárne testy, ako je RT-PCR, výrazne podhodnocujú mieru inaktivácie vírusov (25,28), ako sa zistilo v našej štúdii.Pretože AgNP-MHC interagujú primárne s vírusovým povrchom, je pravdepodobnejšie, že poškodia vírusové obalové proteíny skôr ako vírusové nukleové kyseliny.Preto test RT-PCR na meranie vírusovej nukleovej kyseliny môže významne podhodnotiť inaktiváciu vírusov.Účinok Ag+ iónov a tvorba reaktívnych foriem kyslíka (ROS) by mali byť zodpovedné za inaktiváciu testovaných vírusov.Mnohé aspekty antivírusových mechanizmov AgNP-MHC sú však stále nejasné a na objasnenie mechanizmu vysokej rezistencie AdV2 je potrebný ďalší výskum využívajúci biotechnologické prístupy.

Nakoniec sme vyhodnotili robustnosť antivírusovej aktivity Ag30-MHC tak, že sme ich vystavili širokému rozsahu hodnôt pH a vzorkám vody z vodovodu a povrchovej vody pred meraním ich antivírusovej aktivity (Obraa 4).4).Expozícia extrémne nízkym pH viedla k fyzickej a/alebo funkčnej strate AgNP z MHC (nepublikované údaje).V prítomnosti nešpecifických častíc Ag30-MHC konzistentne vykazovali antivírusovú aktivitu, napriek poklesu antivírusovej aktivity proti MS2.Antivírusová aktivita bola najnižšia v nefiltrovanej povrchovej vode, pretože interakcia medzi Ag30-MHC a nešpecifickými časticami vo vysoko zakalenej povrchovej vode pravdepodobne spôsobila zníženie antivírusovej aktivity (Tabuľka 3).Preto by sa v budúcnosti mali vykonávať terénne hodnotenia AgNP-MHC v rôznych typoch vôd (napr. s rôznymi koncentráciami solí alebo humínových kyselín).

Na záver, nové Ag kompozity, AgNP-MHC, majú vynikajúce antivírusové schopnosti proti niekoľkým vírusom, vrátane ϕX174 a MNV.AgNP-MHC si zachovávajú silnú účinnosť v rôznych podmienkach prostredia a tieto častice sa dajú ľahko získať pomocou magnetu, čím sa zníži ich potenciálne škodlivé účinky na ľudské zdravie a životné prostredie.Táto štúdia ukázala, že AgNP kompozit môže byť účinným antivírusovým prostriedkom v rôznych environmentálnych prostrediach bez významných ekologických rizík.