Silvernanopartiklar (AgNP) anses vara ett potentiellt användbart verktyg för att kontrollera olika patogener.Det finns dock oro för utsläppet av AgNP i miljömedier, eftersom de kan generera negativa effekter på människors hälsa och ekologiska effekter.I denna studie utvecklade och utvärderade vi en ny mikrometerstor magnetisk hybridkolloid (MHC) dekorerad med AgNPs av olika storlek (AgNP-MHC).Efter att ha applicerats för desinfektion kan dessa partiklar lätt återvinnas från miljömedia med hjälp av deras magnetiska egenskaper och förbli effektiva för att inaktivera virala patogener.Vi utvärderade effektiviteten av AgNP-MHC för att inaktivera bakteriofag ϕX174, murint norovirus (MNV) och adenovirus serotyp 2 (AdV2).Dessa målvirus exponerades för AgNP-MHC i 1, 3 och 6 timmar vid 25°C och analyserades sedan med plackanalys och TaqMan PCR i realtid.AgNP-MHC exponerades för ett brett spektrum av pH-nivåer och för kran- och ytvatten för att bedöma deras antivirala effekter under olika miljöförhållanden.Bland de tre typerna av AgNP-MHC som testades visade Ag30-MHC den högsta effektiviteten för att inaktivera virusen.ϕX174 och MNV reducerades med mer än 2 log10 efter exponering för 4,6 × 109 Ag30-MHCs/ml under 1 timme.Dessa resultat indikerade att AgNP-MHC kunde användas för att inaktivera virala patogener med minimal chans för potentiell frisättning i miljön.

Med de senaste framstegen inom nanoteknik har nanopartiklar fått ökad uppmärksamhet över hela världen inom områdena bioteknik, medicin och folkhälsa (1,2).På grund av sitt höga yta-till-volymförhållande har material i nanostorlek, vanligtvis från 10 till 500 nm, unika fysikalisk-kemiska egenskaper jämfört med större material (1).Formen och storleken på nanomaterial kan kontrolleras och specifika funktionella grupper kan konjugeras på deras ytor för att möjliggöra interaktioner med vissa proteiner eller intracellulärt upptag (3,–5).

Silvernanopartiklar (AgNP) har studerats brett som ett antimikrobiellt medel (6).Silver används för att skapa fina bestick, för prydnadsföremål och i terapeutiska medel.Silverföreningar som silversulfadiazin och vissa salter har använts som sårvårdsprodukter och som behandlingar för infektionssjukdomar på grund av deras antimikrobiella egenskaper (6,7).Nyligen genomförda studier har visat att AgNP är mycket effektiva för att inaktivera olika typer av bakterier och virus (8,–11).AgNP och Ag+-joner som frigörs från AgNP interagerar direkt med fosfor- eller svavelinnehållande biomolekyler, inklusive DNA, RNA och proteiner (12,–14).De har också visat sig generera reaktiva syrearter (ROS), vilket orsakar membranskador i mikroorganismer (15).Storleken, formen och koncentrationen av AgNP är också viktiga faktorer som påverkar deras antimikrobiella förmåga (8,10,13,16,17).

Tidigare studier har också visat på flera problem när AgNP används för att kontrollera patogener i en vattenmiljö.För det första är befintliga studier om effektiviteten av AgNP för att inaktivera virala patogener i vatten begränsade.Dessutom är monodispergerade AgNP vanligtvis föremål för partikel-partikelaggregation på grund av sin lilla storlek och stora yta, och dessa aggregat minskar effektiviteten av AgNP mot mikrobiella patogener (7).Slutligen har AgNP visat sig ha olika cytotoxiska effekter (5,18,–20), och utsläpp av AgNP i en vattenmiljö kan resultera i människors hälsa och ekologiska problem.

Nyligen utvecklade vi en ny mikrometerstor magnetisk hybridkolloid (MHC) dekorerad med AgNP av olika storlekar (21,22).MHC-kärnan kan användas för att återvinna AgNP-kompositerna från miljön.Vi utvärderade den antivirala effekten av dessa silvernanopartiklar på MHC (AgNP-MHC) med hjälp av bakteriofag ϕX174, murint norovirus (MNV) och adenovirus under olika miljöförhållanden.

Antivirala effekter av AgNP-MHC vid olika koncentrationer mot bakteriofag ϕX174 (a), MNV (b) och AdV2 (c).Målvirus behandlades med olika koncentrationer av AgNP-MHC och med OH-MHC (4,6 × 109 partiklar/ml) som kontroll, i en skakande inkubator (150 rpm, 1 timme, 25°C).Plackanalysmetoden användes för att mäta överlevande virus.Värden är medelvärden ± standardavvikelser (SD) från tre oberoende experiment.Asterisker indikerar signifikant olika värden (P< 0,05 med enkelriktad ANOVA med Dunnetts test).

Denna studie visade att AgNP-MHC är effektiva för att inaktivera bakteriofager och MNV, ett surrogat för humant norovirus, i vatten.Dessutom kan AgNP-MHC lätt återvinnas med en magnet, vilket effektivt förhindrar utsläpp av potentiellt giftiga AgNP i miljön.Ett antal tidigare studier har visat att koncentrationen och partikelstorleken av AgNP är kritiska faktorer för att inaktivera riktade mikroorganismer (8,16,17).De antimikrobiella effekterna av AgNP beror också på typen av mikroorganism.Effekten av AgNP-MHC för att inaktivera ϕX174 följde ett dos-responssamband.Bland de testade AgNP-MHCs hade Ag30-MHC en högre effekt för att inaktivera ϕX174 och MNV.För MNV uppvisade endast Ag30-MHC antiviral aktivitet, medan de andra AgNP-MHC inte genererade någon signifikant inaktivering av MNV.Ingen av AgNP-MHC hade någon signifikant antiviral aktivitet mot AdV2.

Förutom partikelstorleken var även koncentrationen av silver i AgNP-MHC:erna viktig.Koncentrationen av silver tycktes bestämma effektiviteten av de antivirala effekterna av AgNP-MHC.Silverkoncentrationerna i lösningar av Ag07-MHCs och Ag30-MHCs vid 4,6 × 109 partiklar/ml var 28,75 ppm respektive 200 ppm och korrelerade med nivån av antiviral aktivitet.Tabell 2sammanfattar silverkoncentrationerna och ytareorna för de testade AgNP-MHC:erna.Ag07-MHCs visade den lägsta antivirala aktiviteten och hade den lägsta silverkoncentrationen och ytarean, vilket tyder på att dessa egenskaper är relaterade till den antivirala aktiviteten hos AgNP-MHCs.

Vår tidigare studie visade att de viktigaste antimikrobiella mekanismerna för AgNP-MHC är den kemiska utvinningen av Mg2+ eller Ca2+-joner från mikrobiella membran, skapandet av komplex med tiolgrupper belägna vid membranen och genereringen av reaktiva syrearter (ROS) (21).Eftersom AgNP-MHC har en relativt stor partikelstorlek (~500 nm), är det osannolikt att de kan penetrera en viral kapsid.Istället verkar AgNP-MHC interagera med virala ytproteiner.AgNP på kompositerna tenderar att binda tiolgruppsinnehållande biomolekyler inbäddade i pälsproteinerna hos virus.Därför är de biokemiska egenskaperna hos virala kapsidproteiner viktiga för att bestämma deras känslighet för AgNP-MHC.Figur 1visar virusens olika känslighet för effekterna av AgNP-MHC.Bakteriofagerna ϕX174 och MNV var mottagliga för AgNP-MHC, men AdV2 var resistent.Den höga motståndsnivån hos AdV2 är sannolikt associerad med dess storlek och struktur.Adenovirus varierar i storlek från 70 till 100 nm (30), vilket gör dem mycket större än ϕX174 (27 till 33 nm) och MNV (28 till 35 nm) (31,32).Förutom sin stora storlek har adenovirus dubbelsträngat DNA, till skillnad från andra virus, och är resistenta mot olika miljöpåfrestningar som värme och UV-strålning (33,34).Vår tidigare studie rapporterade att nästan en 3-log10-reduktion av MS2 inträffade med Ag30-MHC inom 6 timmar (21).MS2 och ϕX174 har liknande storlekar med olika typer av nukleinsyra (RNA eller DNA) men har liknande inaktiveringshastigheter av Ag30-MHC.Därför verkar inte nukleinsyrans natur vara den huvudsakliga faktorn för resistens mot AgNP-MHC.Istället verkade storleken och formen på viral partikel vara viktigare, eftersom adenovirus är ett mycket större virus.Ag30-MHC uppnådde nästan en 2-log10-reduktion av M13 inom 6 timmar (våra opublicerade data).M13 är enkelsträngat DNA-virus (35) och är ~880 nm lång och 6,6 nm i diameter (36).Hastigheten för inaktivering av den filamentösa bakteriofagen M13 var mellan de för små, rundstrukturerade virus (MNV, ϕX174 och MS2) och ett stort virus (AdV2).

I den aktuella studien var inaktiveringskinetiken för MNV signifikant olika i plackanalysen och RT-PCR-analysen (Fig. 2bochandc).c).Molekylära analyser som RT-PCR är kända för att signifikant underskatta inaktiveringshastigheten för virus (25,28), som vi hittade i vår studie.Eftersom AgNP-MHC interagerar primärt med den virala ytan, är det mer sannolikt att de skadar virala höljeproteiner snarare än virala nukleinsyror.Därför kan en RT-PCR-analys för att mäta viral nukleinsyra avsevärt underskatta inaktiveringen av virus.Effekten av Ag+-joner och genereringen av reaktiva syrearter (ROS) bör vara ansvariga för inaktiveringen av de testade virusen.Emellertid är många aspekter av de antivirala mekanismerna för AgNP-MHC fortfarande oklara, och ytterligare forskning med hjälp av biotekniska tillvägagångssätt krävs för att klargöra mekanismen för den höga resistensen hos AdV2.

Slutligen utvärderade vi robustheten hos den antivirala aktiviteten hos Ag30-MHC genom att exponera dem för ett brett spektrum av pH-värden och för kran- och ytvattenprover innan vi mätte deras antivirala aktivitet (Fig. 3ochoch4).4).Exponering för extremt låga pH-förhållanden resulterade i fysisk och/eller funktionell förlust av AgNP från MHC (opublicerade data).I närvaro av ospecifika partiklar uppvisade Ag30-MHC konsekvent antiviral aktivitet, trots en minskning av den antivirala aktiviteten mot MS2.Den antivirala aktiviteten var lägst i ofiltrerat ytvatten, eftersom en interaktion mellan Ag30-MHC och ospecifika partiklar i det mycket grumliga ytvattnet troligen orsakade en minskning av antiviral aktivitet (Tabell 3).Därför bör fältutvärderingar av AgNP-MHC i olika typer av vatten (t.ex. med olika saltkoncentrationer eller humussyra) utföras i framtiden.

Sammanfattningsvis har de nya Ag-kompositerna, AgNP-MHC, utmärkta antivirala egenskaper mot flera virus, inklusive ϕX174 och MNV.AgNP-MHC bibehåller stark effektivitet under olika miljöförhållanden, och dessa partiklar kan lätt återvinnas med hjälp av en magnet, vilket minskar deras potentiella skadliga effekter på människors hälsa och miljön.Denna studie visade att AgNP-kompositen kan vara en effektiv antiviral i olika miljöer, utan betydande ekologiska risker.