Наночастицы серебра: механизм действия и возможное биоприменение.

Предваряя историю применения AgNP с различными свойствами на практике, необходимо отметить широкие и разнообразные формы наночастиц, получаемых при их синтезе как физико-химическими, так и биологическими методами. Разнообразие объектов, используемых для синтеза наночастиц, неизбежно приводит к разнообразию форм AgНЧ: это могут быть «нанопроволоки», табличные призмы, кубы, октаэдры и пирамиды. Различные исследования, посвященные наночастицам серебра, показали, что форма и размер образующихся AgНЧ во многом зависят от параметров эксперимента, таких как температура, концентрация соединения Ag(I), pH раствора, а в случае биологического синтеза - от непосредственного объекта используется для производства AgNP. Форма, являющаяся наиболее яркой характеристикой AgNP, также во многом определяет их свойства, включая особенности материала, частью которого являются эти наночастицы. Несмотря на огромное количество публикаций, посвященных биосинтезу AgNP в клетках бактерий, грибов и растений, требуется более детальный подход не только к самому синтезу, но и к его механизму, участию различных клеточных соединений: белков, ферментов, кислот. и др. Кроме того, важным аспектом, который необходимо учитывать при дальнейшем практическом применении AgНЧ, являются механизм взаимодействия наночастиц непосредственно с клеткой и процессы, происходящие внутри нее. Этот серьезный факт чрезвычайно важен, ведь модная ныне приставка «био» должна отражать не только способ получения практически значимого вещества, но и безопасность применения, особенно используемого в медицине. Кроме того, рассматривая наночастицы серебра как потенциальное медицинское средство, не следует забывать об их потенциальной токсичности. Большое количество публикаций на эту тему показало, что токсический потенциал наночастиц определяется такими факторами, как размер, форма, площадь поверхности, агрегация или агломерация и доза. Принято считать, что легко ионизированные частицы серебра могут воздействовать на клетку по механизму «троянского коня». Фагоцитоз AgNP стимулирует передачу воспалительных сигналов посредством генерации активных форм кислорода (АФК) в макрофагах, после чего активированные макрофаги индуцируют секрецию TNF-α. Повышенные уровни TNF-α приводят к повреждению клеточных мембран и апоптозу. Следует отметить, что в ряде исследований показана токсичность AgNP (например, в исследованиях гепатоцитов и нейрональных клеток крысы, стволовых клеток мыши, эпителиальных клеток легких человека) по отношению к клеткам, а также ее отсутствие (в исследованиях здоровые клетки млекопитающих). В связи с этим чрезвычайно важно изучение токсичности с использованием анализов in vivo и in vitro, а также моделей in silico. Поэтому данный мини-обзор посвящен механизмам биосинтеза AgNP в различных типах клеток (бактерии, грибы, растения) и взаимодействию с различными клетками и, как следствие, разнообразному использованию наночастиц серебра.

Несмотря на невероятно большое количество публикаций, описывающих синтез AgNP с помощью различных групп организмов, таких как бактерии, грибы, лишайники, водоросли и высшие растения, механизм этого процесса до сих пор остается совершенно неизученным.

Результаты синтеза AgNP с использованием различных микроорганизмов показали, что процесс образования AgNP может происходить как внутри, так и вне клетки. Внеклеточный синтез предполагает наличие белков-ферментов, присутствующих на клеточной стенке бактерий, и секретируемых белков, благодаря которым Ag + восстанавливается до Ag0 . Показано, что внеклеточный синтез AgNP характерен как для грамположительных бактерий рода Bacillus , в частности, для B. pumilus , B. persicus , B. licheniformis , B. indicus и B. cecembensis , так и для Plannomicrobium sp., Streptomyces. sp., Rhodococcus sp., а также грамотрицательных бактерий, таких как Klebsiella pneumoniae , Escherichia coli и Acinetobacter Calcoaceticus. Этот механизм синтеза установлен также для ряда других микроорганизмов, таких как грибы Rhizopus stolonifer , Aspergillus niger , Fusarium oxysporum , Fusarium sp. и A. flavus .

Тем не менее в ряде исследований было показано, что синтез наночастиц микроорганизмами является внутриклеточным. Этот механизм представлен у грамотрицательных бактерий и связан с мембранными белками, транспортирующими ионы серебра в клетку. Например, внутриклеточный характер синтеза AgNP был установлен для клоак Enterobacter El-Baghdady et al. Аналогичные результаты были продемонстрированы для Pseudomonas stutzeri. Этот механизм был также показан для грамположительных бактерий Corynebacterium sp., а также для различных бактерий рода Streptomyces. Среди представителей царства грибов ацидофилус Verticillium sp. можно выделить. Более того, некоторые микроорганизмы способны осуществлять биосинтез AgNP как внутриклеточно, так и внеклеточно, включая штамм Bacillus CS 11 и Proteus mirablis.

Независимо от того, является ли биосинтез AgNP внутриклеточным или внеклеточным, фундаментальным фактором в этом процессе являются ферменты. Большинство исследователей сходятся во мнении, что ведущая роль в образовании AgNP принадлежит НАДН-зависимой нитратредуктазе, которая действует как электронный челнок, отбирая электроны у молекулы нитрата и передавая их иону металла для образования наночастиц, что наглядно показано. для F. oxysporum , Ps. aeruginosa и др.. Предполагаемый механизм этого процесса показан на рисунке 1 . В литературе также имеются сведения о респираторных и периплазматических нитратредуктазах. В некоторых экспериментах было обнаружено, что в захвате ионов серебра могут участвовать белки и сахара клеточной стенки, где может происходить процесс биовосстановления. Кроме того, считается, что наличие карбоксилатной группы на поверхности бактериальной клетки, обуславливающей ее преимущественно отрицательный заряд, обеспечивает электростатическое взаимодействие между этой группой и положительно заряженными ионами серебра, что способствует захвату ионов серебра. Некоторые аминокислоты, такие как аргинин, аспарагиновая кислота, цистеин, глутаминовая кислота, лизин и метионин, также участвуют в восстановлении ионов серебра или нанокристаллов серебра, которые действуют как катализаторы, производя гидроксильный ион, который реагирует с восстановителями, такими как альдегид. Это показано Graf et al. что пептиды, содержащие дисульфидные связи, также могут участвовать в восстановлении Ag + до Ag0 . Условия реакции также вносят важный вклад: например, высокий pH играет важную роль в активации субъединицы фермента оксидоредуктазы, способствует превращению триптофана в переходный триптофильный радикал, который отдает электроны ионам серебра и приводит к восстановление до элементарного серебра. Важной особенностью является интенсификация биосинтеза AgNP под действием света. Этот эффект может быть связан с активацией восстановителей в культуре супернатанта, которые, со своей стороны, вызывают высвобождение электронов для восстановления Ag + до наночастиц Ag0. Другой гипотетический механизм синтеза наночастиц основан на том факте, что некоторые бактерии генерируют трансмембранный протонный градиент, который разрушается активным симпортом Na + .ионы наряду с ионами Ag из внеклеточной среды . Несколько мембранных белков, связывающих серебро, привлекают ионы серебра и, получая энергию от гидролиза АТФ, приводят к поглощению ионов серебра внутри клеток и инициируют синтез AgNP.

Рисунок 1. Предполагаемый механизм биосинтеза наночастиц серебра (AgNP).

Интересен тот факт, что получение наночастиц серебра возможно не только с помощью нитратредуктазы, но и с помощью фермента совершенно другого класса: внеклеточная кератиназа B.safensis играет решающую роль в биосинтезе AgNP.

Анализ инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) изучается для синтезированных AgNP, чтобы выяснить возможные восстанавливающие биомолекулы, которые могут стабилизировать наночастицы, предотвратить агломерацию и создать их покрытие в водном растворе. Следует отметить, что в окончательной упаковке микробных наночастиц участвует очень большое количество различных соединений. Это могут быть пептиды, ферменты, карбоновые кислоты, альдегиды, кетоны, рамнозы и рамнолипиды. Предполагается, что ферменты могут связываться с наночастицами серебра с помощью свободных амино- и цистеиновых групп белков.

Количество публикаций по синтезу AgNP с помощью экстрактов различных растений (листьев, стеблей, корней и т. д.) неисчислимо. В качестве «фабрик» по производству наночастиц серебра используются самые разнообразные растения, в том числе лекарственные. Предполагаемый механизм синтеза AgNP в целом аналогичен механизму микроорганизмов и имеет ферментативную природу. Однако соединения для стабилизации и окончательного кэпирования наночастиц отличаются и специфичны от таковых для микроорганизмов, поскольку растительные клетки содержат комплекс разнообразных антиоксидантных метаболитов, предотвращающих окисление и повреждение клеточных компонентов. Следовательно, в стабилизации наночастиц могут участвовать ферменты, гликозиды, сапонины и другие биомолекулы . Они особенно важны с точки зрения дальнейшего практического применения AgNP, поскольку они обладают противовоспалительным, антиоксидантным, противоопухолевым и другими эффектами. Литературные данные свидетельствуют о том, что при добавлении к растительному экстракту солей металлов ионы серебра связываются с белками и водорастворимыми соединениями с помощью групп –ОН и –СООН, что приводит к конформационным изменениям в молекуле белка, способствующим трансформации захваченных ионов металлов. в наночастицу серебра. Кроме того, в процессе восстановления серебра и образовании AgNP принимают участие аминогруппы и цистеиновые остатки белков. Алканы, амины, фенолы, полифенолы, арабиноза и галактоза, альдегиды и кетоны, спирты, алкалоиды, лигнаны, терпеноиды и флавоноиды могут выступать в качестве «запирающих» агентов для образования наночастиц серебра. Особый интерес в данном случае представляют флавоноиды из-за их высокой антиоксидантной активности для медицинских целей. Гидрофильные функциональные группы различных соединений, окружающие наночастицы, делают их коллоидно-стабильными в водной среде. Другими интересными веществами, которые действуют как восстанавливающие и стабилизирующие вещества, являются сахароза и фруктоза экстракта чеснока. Кроме того, полиолы ответственны за восстановление Ag + до наночастиц серебра в экстракте клубней Dioscorea Bulbifera. Предполагается, что терпеноиды представляют собой поверхностно-активные молекулы, которые адсорбируются на поверхности AgНЧ для стабилизации наночастиц и предотвращения агломерации AgНЧ. Восстановление ионов Ag + до наночастиц серебра (Ag0 ) с терпеноидами может включать преобразование группы C–O терпенов в группу –C–O. Вероятно, терпеноиды играют роль в восстановлении ионов металлов путем окисления альдегидных групп в молекулах до карбоновых кислот. По-видимому, «кэпирующие» агенты имеют возможность избирательно связываться с различными типами граней нанокристалла, изменяя их удельную поверхностную свободную энергию и, следовательно, пропорции их площадей Таким образом, «кэпирование» наночастиц может выполнять несколько важных функций, а именно предотвращать агломерацию наночастиц, снижать токсичность и улучшать антимикробные свойства; кроме того, эти молекулы могут усиливать возможность присоединения и действие AgNP на бактериальные клетки. Примечательно, что растительные «укупорочные» агенты часто обладают собственной антимикробной активностью, которая может повышать активность AgNP.
Точный механизм действия наночастиц серебра на клетку неизвестен. Однако в этой области накоплен значительный объем данных, особенно по работе с различными экстрактами растений, указывающий на то, что AgNP способны физически взаимодействовать с поверхностями клеток различных бактерий. Существует несколько основ воздействия AgNP на клетку: адгезия на поверхности бактериальной клеточной стенки и мембраны, проникновение в клетку и разрушение внутриклеточных органелл и биомолекул, индукция окислительного стресса и модуляция путей передачи сигнала. Адгезия и накопление AgNP на поверхности клеток особенно наблюдались у грамотрицательных бактерий. AgNP могут проникать в бактериальные клетки через заполненные водой каналы, называемые поринами, во внешней мембране грамотрицательных бактерий. Порины в первую очередь участвуют в пассивном транспорте гидрофильных молекул различного размера и заряда через мембрану. Вероятно, более толстая клеточная стенка грамположительных бактерий обеспечивает проникновение ионов серебра в цитоплазму, поэтому эффект AgNP более выражен у грамотрицательных бактерий, чем у грамположительных бактерий. Также возможно, что присутствие липополисахаридов способствует структурной целостности клеточной стенки грамотрицательных бактерий, делая такие бактерии более чувствительными к наночастицам серебра, поскольку отрицательный заряд липополисахаридов способствует адгезии AgNP. Некоторые исследователи предположили, что способность наночастиц серебра прикрепляться к клеточной стенке бактерий за счет электростатического взаимодействия положительно заряженных ионов серебра с отрицательно заряженной поверхностью клеточной мембраны за счет карбоксильных, фосфатных и аминогрупп дает возможность впоследствии проникнуть в нее, вызывая тем самым структурные изменения клеточной мембраны и, как следствие, ее проницаемость. Затем происходит диссипация протонной движущей силы (ПМП) и, следовательно, разрушение мембраны. AgNPs могут также действовать как переносчики для более эффективной транспортировки Ag + в бактериальные клетки, чья протонная движущая сила, следовательно, будет снижать локальный pH и увеличивать высвобождение Ag + . Кроме того, считается, что наночастицы серебра при контакте с бактериями образуют свободные радикалы, которые повреждают клеточную мембрану, делая ее пористой.

Однако другие исследователи придерживаются мнения, что AgNP прилипают к поверхности бактерий и изменяют свойства мембран, тогда как внутри бактериальной клетки они могут приводить к повреждению ДНК . Например, предполагается, что основным механизмом действия наночастиц серебра является растворение клеточной мембраны. Кроме того, при растворении наночастиц серебра высвобождаются антимикробные ионы серебра, которые могут взаимодействовать с тиолсодержащими белками клеточной стенки и влиять на их функции. При взаимодействии с внешней мембраной наночастицы серебра могут связываться с белками, образуя комплексы с донорами электронов, содержащими атомы кислорода, фосфора, азота или серы. Лучше всего в литературе описано взаимодействие с тиоловыми группами. Таким образом, наночастицы серебра приводят к инактивации мембраносвязанных ферментов и белков путем взаимодействия с дисульфидными связями и блокирования активного центра. Сообщается, что AgNP обладают способностью увеличивать соотношение транс/цис ненасыщенных мембранных жирных кислот, что приводит к изменению текучести мембран и состава липидного бислоя. Это может привести к изменениям в структуре мембраны, которые могут препятствовать ее функционированию, вызывая увеличение проницаемости и потерю целостности мембраны.

Более того, поскольку адгезия бактерий к любой поверхности является основным этапом формирования биопленок, закрепленные на поверхности клетки AgNP могут предотвратить этот процесс. Это может иметь большое практическое значение, особенно в борьбе с патогенными микроорганизмами . Кроме того, в  описаны данные о том, что AgNP способствуют нейтрализации адгезивных веществ, участвующих в формировании биопленок . Йена и др. продемонстрировали, что наночастицы серебра способны опосредовать апоптоз бактериальной клетки, разрушая сеть цитоскелета бактериального актина. Результат показывает, что наночастицы воздействовали на актиновый цитоскелет MreB, вызывая морфологические изменения формы бактерий, тем самым увеличивая текучесть мембраны, что приводит к разрыву клеток.

С одной стороны, накопление AgNP на клеточной мембране приводит к нарушению целостности бислоя и появлению разрывов; с другой стороны, проникновение AgNP непосредственно в клетку и взаимодействие с жизненно важными биомолекулами в конечном итоге приводит к гибели клетки. Ионы серебра могут взаимодействовать с дисульфидными связями ферментов, ответственных за клеточный метаболизм, и тиоловыми группами, особенно дыхательных ферментов, и инактивировать их, генерируя активные формы кислорода (АФК) и клеточный окислительный стресс у микробов. Таким образом, на Ps выявлен синергетический эффект наночастиц, взаимодействующих с клеточной мембраной и вызывающих генерацию АФК . aeruginosa и определяли антибактериальный эффект. АФК окисляют двойные связи жирных кислот в мембране, что позволяет генерировать другие свободные радикалы, повреждающие клеточную мембрану.

Обнаружена каталитическая активность AgНЧ по образованию дисульфидных связей в реакции молекул кислорода в клетках и атомов водорода тиоловых групп. Серебро катализирует образование дисульфидных связей, ответственных за изменение формы и структуры клеточных ферментов, влияющих на их функцию. Было обнаружено, что обработка клеток раствором Ag + с концентрацией 900 частей на миллиард влияет на экспрессию некоторых важных белков и ферментов, таких как 30S рибосомальная субъединица, сукцинил-коэнзим А-синтетаза, переносчик мальтозы (MalK) и фруктозо-бисфосфат-альдолаза. Ионы серебра связываются с 30S-субъединицей рибосомы, дезактивируют рибосомный комплекс и останавливают синтез белка. Синтез незрелых белков-предшественников, участвующих в формировании клеточной мембраны за счет воздействия наночастиц серебра на рибосомы, транскрипцию и трансляцию, что в последующем означает гибель клетки. AgNP влияют на важный фермент сукцинил-коэнзим-а-синтетазу, участвующий в цикле трикарбоновых кислот, вызывая нарушение клеточного метаболизма. Было также обнаружено, что бактерицидные свойства AgNP связаны с нарушением транскрипции РНК, пуринов, пиримидинов и жирных кислот бактерий. Подавляя различные клеточные метаболические процессы, ингибируя питание, изменяя экспрессию генов, влияя на выработку АТФ и блокируя дыхательную цепь микроорганизма на уровне цитохромоксидазы и НАДН-сукцинатдегидрогеназы, наночастицы серебра вызывают окислительный стресс. Взаимодействие AgNP с ДНК клетки может нарушать ее репликацию. Установлено, что Ag + образует комплексы с нуклеиновыми кислотами и разрывает Н-связи между антипараллельными парами оснований. Состояния молекул ДНК, меняющиеся из релаксированной формы в конденсированную, также могут быть вызваны AgNP, в результате чего снижается способность к репликации. Процесс транскрипции у микроорганизмов может быть подавлен интеркаляцией AgNP в спираль ДНК.

Механизм передачи сигнала, необходимого для роста микробов и клеточной активности, представлен в микробных клетках циклом фосфорилирования и каскадом дефосфорилирования. AgNP предположительно могут модулировать клеточную передачу сигналов и действовать путем дефосфорилирования остатков тирозина на ключевых бактериальных пептидных субстратах, тем самым ингибируя рост микроорганизмов.

По данным многих исследований синтеза наночастиц серебра в растениях, AgNP запускают активацию белка p53, который действует как супрессор образования злокачественных опухолей в клетках млекопитающих, а также каспазы-3, играющей важную роль в клеточном апоптозе.

Хорошо известно, что существует связь между размером наночастиц и антибактериальным эффектом. Наночастицы меньшего размера легко проникают в цитоплазму, а поверхность взаимодействия наночастиц как с микробной клеткой, так и с ее компонентами и органеллами побольше. Предлагаемый механизм воздействия наночастиц показан на рисунке 2 . Таким образом, важность информации о процессах как синтеза наночастиц, так и о механизме их воздействия на клетки-мишени для дальнейшего практического применения AgNP неоспорима.

Рисунок 2. Предполагаемый механизм воздействия наночастиц серебра на бактериальные клетки.

В настоящее время устойчивость бактерий родов Streptococcus , Salmonella , Escherichia , Pseudomonas и др. ко многим известным антибиотикам является серьезной медицинской проблемой, требующей скорейшего решения. В поисках новых биопрепаратов AgNP оказались очень перспективным направлением в борьбе с патогенами. Способность наночастиц серебра ингибировать рост и вызывать гибель патогенных микроорганизмов, вызывающих различные виды широко распространенных заболеваний человека, подтверждается подавляющим большинством исследований. Как отмечалось выше, способность AgNP связываться с различными биомолекулами микробных клеток обеспечивает их стойкий антибактериальный эффект. Сегодня экстракты растений являются неисчерпаемым источником получения AgNP. Растения, зачастую обладающие собственными лечебными свойствами и образующие AgNP в специфической покрышке, являются преобладающим объектом исследований в этой области. В таблице 1 представлена ​​лишь небольшая часть исследований, установивших сравнимый, а иногда и превосходящий антибиотики антибактериальный эффект наночастиц серебра из различных растительных экстрактов. Таким образом, был показан ингибирующий эффект против Str. aureus , E. coli, K. pneumoniae , Acinetobacter baumannii, Proteus vulgaris , Serratia marcescens , Ps. aeruginosa , B. subtilis , Enterococcus faecalis , C. albicans, S. typhimurium , S. enteritidis, A. niger , A. flavus, B. cereus, Fusarium sp . ., Rhizopus sp., F. oxysporum , Alternaria brassicicola, C. kefyr, Vibrio parahaemolyticus, E. aerogenes, B. bronchiseptia и Mycobacterium Tuberculosis. Интересно, что для синтеза AgNP используются более экзотические объекты. Например, Hussein et al. использовали водоросли Gracilaria parvispora . для производства наночастиц серебра, которые ингибировали рост Str. aureus и Ps. синегнойная палочка, а бурые водоросли Sargassum longifolium применяли для синтеза AgNP против A. fumigatus , C. albicans и Fusarium sp. Другим своеобразным источником производства наночастиц с антибактериальным потенциалом являются лишайники. В данном случае они чрезвычайно интересны, поскольку специфичные для лишайников метаболиты, такие как, например, антранорин, могут играть существенную роль в синтезе AgNP.

Таблица 1. Антибактериальный эффект наночастиц серебра из различных растительных экстрактов.

Несмотря на то, что для синтеза наночастиц серебра чаще всего используют экстракты растений, сами бактерии также оказываются «биофабриками» по производству AgNP. Бактериальным «растением» для AgNP, обладающим ингибирующим действием в отношении самих патогенных микроорганизмов, являются бактерии рода Bacillus , а также другие бактерии, такие как E. coli , Brevibacterium casei , Str. albogriseolus , S. typhirium , Acinetobacter Calcoaceticus , Sporosarcina koreensis , Aeromonas sp., Phenerochaete chrysosporium , Streptacidiphilus durhamensis или Paracoccus sp., Ps. aeruginosa и др. Микроскопические грибы Aspergillus , Penicillium , Fusarium , Trichoderma , C. albicans , дрожжи Schizosaccharomyces и цианобактерии, такие как Oscillatoria limnetica, Synechococcus sp., Nostoc sp., Scytonema sp. . и Phormidium sp., также используются для синтеза AgNP. В качестве важных биотехнологических объектов благодаря широкому применению для производства различных стратегически важных веществ (антибиотиков, витаминов, ферментов, биологически активных веществ) и относительной простоте управления синтезом AgНЧ микроорганизмы могут стать основными участниками зеленых наночастиц серебра. синтез.

В настоящее время в экспериментальной медицине практикуется совместное применение AgNP в качестве антибактериальных средств и некоторых антибиотиков. Однако этот синергетический эффект достигается не для всех антибиотиков. Так, рост множественной лекарственной устойчивости S. typhimurium подавлялся кооперативными AgNP и известными антибиотиками эноксацином, канамицином, неомицином и тетрациклином, тогда как применение ампициллина и пенициллина не дало аналогичного результата. Вполне вероятно, что тетрациклин увеличивает связывание наночастиц серебра с поверхностью бактерий. Показано синергетическое действие AgNP с другими антибиотиками стрептомицином, ванкомицином, тетрациклином, амоксициллином, гентамицином, эритромицином и ципрофлоксацином в отношении S. aureus и E. coli, а также ампициллином, хлорамфениколом и канамицином в отношении различных патогенных бактерий. Ent.faecium, St.aureus, Str.mutans и E.coli ).

В современной истории человечества вирусы оказались одними из самых страшных возбудителей болезней человека. Несмотря на кажущуюся структурную простоту, вирусы представляют собой огромную угрозу перед лицом опасных заболеваний — испанского гриппа, ВИЧ, Эболы и Марбурга и, наконец, пандемии 2020 года, вызванной COVID-19, — доказывая нам, как мало мы знаем о борьбе с вирусами. . Патогенная природа вирусов заключается в прикреплении и проникновении в клетку-хозяина. В этом случае вирус связывается с лигандами и белками на поверхности клеточной мембраны, используя собственные белковые компоненты. Предотвращение такого связывания, по-видимому, является лучшим способом избежать заражения клеток. Механизм противовирусной активности AgNP еще недостаточно изучен, но в литературе имеются следующие данные: (1) AgNP связываются с защитной оболочкой белка вируса, подавляя прикрепление; и (2) AgNP связываются с ДНК или РНК вируса, подавляя репликацию или пролиферацию вируса внутри клеток-хозяев. Например, было показано, что AgNP ингибируют инициацию инфекции, передаваемой вирусом гастроэнтерита (TGEV), путем связывания с поверхностным белком, S-гликопротеином. Было высказано предположение, что наночастицы серебра могут изменять структуру поверхностных белков, тем самым снижая их распознавание и адгезию к рецептору хозяина. Ингибирование процесса репликации аренавируса наночастицами серебра обнаружено Speshoc et al. Имеются данные о предотвращении контакта с клеткой-хозяином и, как следствие, предотвращении заражения вирусом простого герпеса (ВПГ) типов 1/2, вирусом парагриппа человека типа 3 и вирусом гриппа. Более того, было обнаружено, что AgNP эффективны против клеток человека, инфицированных ВИЧ, а также эффективно прикрепляются к оболочке ВИЧ для предотвращения инфекции. Шарма В. и др. показали снижение жизнеспособности клеток, инфицированных арбовирусом Чикунгунья, распространяемым двумя видами комаров: Aedes albopictus и Aedes aegypti. Важным исследованием является подавление вирусной активности COVID-19. Таким образом, Саркар Д.С. предполагает, что наночастицы серебра могут связываться с гликопротеинами вирусных шипов, предотвращая их связывание с клеткой-мишенью, а также действовать как слабая кислота, способная снижать pH окружающей среды респираторного эпителия, который является основной мишенью атаки коронавируса. , что привело к его гибели. По-видимому, размер наночастиц серебра играет ключевую роль в противовирусном эффекте (т.е. частицы меньшего размера оказывают более выраженное влияние. Дальнейшие исследования противовирусной активности AgNP могут открыть новые возможности в борьбе с заболеваниями, вызываемыми различными вирусы.

Распространение множественных заболеваний комарами-переносчиками является одной из наиболее серьезных медицинских проблем в тропических и субтропических странах. Заболевания, передаваемые комарами, распространены более чем в 50 странах мира. Наиболее типичным заболеванием является лихорадка Денге, основным переносчиком которой является комар A. aegypti . В последние годы передача денге значительно расширилась как в пригородных, так и в городских районах, став глобальной проблемой для миллионов людей. Не меньшую опасность представляют малярийные комары Anopheles Stephensi, а также комары-переносчики вируса Зика, желтой лихорадки, японского энцефалита и других крайне вредоносных заболеваний. Распространение болезни комарами происходит главным образом из-за постоянно растущей урбанизации и связанной с ней антропогенной деятельности. Поскольку против этих заболеваний не разработаны эффективные лекарства, а главное вакцины, альтернативным средством борьбы с этими заболеваниями может стать контроль численности комаров в местах их размножения. Исследования ларвицидной активности AgNP изучаются уже давно, поскольку наночастицы серебра имеют множество преимуществ, таких как экологически чистые препараты, по сравнению с использованием дорогих и вредных синтетических инсектицидов. Большинство исследований продемонстрировали ларвицидную, пупицидную и взрослую токсичность для A. albopictus и A. aegypti с помощью наночастиц серебра, полученных с использованием экстрактов различных растений и микробных культур. Согласно гипотетическому механизму, AgNP могут проникать в экзоскелет молодых комаров, а затем связываться с клеточными ферментами и ДНК во внутриклеточном пространстве. Кроме того, снижение проницаемости мембраны может в конечном итоге привести к потере клеточной функции и гибели клеток. Другой тенденцией против малярии является прямое воздействие AgNP на возбудителя Plasmodium falciparum и другие плазмодии. Таким образом, ларвицидная и антиплазмодиальная активность может сделать наночастицы серебра перспективным фактором в борьбе с малярией и другими тропическими болезнями.

Очень интересной областью применения AgNP является их антигельминтная активность. Контакт с почвой, а также путешествия в тропические регионы, богатые различными паразитами, приводят к заражению человека различными видами гельминтов. Большинство антигельминтных препаратов для антигельминтной терапии действуют на белки-мишени и регуляцию активности нейронов и мышц паразита, что приводит к параличу, голоданию, иммунной атаке и изгнанию червя. Однако такие препараты могут иметь ограниченный спектр активности у разных типов червей и вызывать лекарственную устойчивость. Указана концентрационно-зависимая природа проявления такой биоактивности наночастиц серебра с использованием растительных экстрактов. Предполагается, что летальный эффект у червей достигается за счет ингибирования поглощения глюкозы и присутствия в упаковке наночастиц таких компонентов, как гликозиды, дубильные вещества и сапонины. Эти фитохимические вещества могут прикрепляться к свободным белкам желудочно-кишечного тракта или гликопротеинам на кутикуле паразита и вызывать смерть.

Лейшманиоз является еще одной угрозой для экваториальных стран и проблемой здравоохранения. Это заболевание вызывают 22 вида Leishmania , передающиеся человеку более чем 90 видами москитов. Поскольку лейшманиоз тесно связан с бедностью, стесненными условиями жизни, плохими санитарными условиями, недоеданием и другими заболеваниями, влияющими на иммунную систему, высокие показатели заболеваемости наблюдаются в слаборазвитых и раздираемых войной странах по всему миру. Хотя определенный прогресс в применении различных стратегий регистрации и лечения этого заболевания достигнут, вакцины против лейшманиоза не существует, а традиционное лечение лейшманиоза требует применения токсичных и плохо переносимых препаратов, которые к тому же чрезвычайно дороги и уже разработаны. сопротивление. Даже в этом случае использование наночастиц серебра потенциально применимо для решения поставленных задач. Предполагаемый механизм лейшманицидной активности основан на генерации АФК, латентном периоде G0/G1 фаз клеточного цикла и ингибировании ферментной системы трипанотион/трипанотионредуктаза. «Зеленые» AgNP из растительных экстрактов, обладающие активностью в отношении Leishmania , могут стать новым словом в решении этой серьезной проблемы.

Активные формы кислорода (АФК), такие как гидроксил, эпоксил, супероксид, пероксилнитрил и синглетный кислород, вызывают окислительный стресс, приводящий к развитию различных заболеваний, таких как воспаление, атеросклероз, старение, рак и нейродегенеративные расстройства. Антиоксидантные свойства фитонаносистем серебра делают их полезными при лечении заболеваний. Так, установлено, что фитонаночастицы серебра, полученные из экстрактов декоративно-цветочных растений Hyacinthus orientalis и Dianthus caryophyllus (гиацинт восточный и гвоздика садовая), обладают высокой антиоксидантной активностью. Салари и др. продемонстрировали, что AgNP, синтезированные с использованием водного экстракта плодов Prosopis Farcta , являются отличными «очистителями» свободных радикалов; аналогичный эффект был показан in vitro для водного экстракта выжимок черной смородины, экстракта яблока, экстрактов листьев Elephantopus scaber, Indigofera hirsuta и Tinospora cordifolia. Наиболее популярными и экспрессными методами оценки антиоксидантной активности являются ABTS (2,2-азино-бис (радикал 3-этилбензтиазолин-6-сульфоновой кислоты) и DPPH (1,1-дифенил-2-пикрилгидразильный радикал) анализы. Высокий антиоксидантный потенциал наночастиц серебра in vitro был продемонстрирован на водном растворе смеси пряностей из чеснока, имбиря и кайенского перца. Авторы предположили, что высокая антиоксидантная активность наночастиц может быть связана с различными типами функциональных групп смеси пряностей, ответственных за восстановление и кэпирование AgNP.Аналогичные результаты были получены и в ряде других исследований в отношении DPPH и ABTS. Различные биологически активные вещества в растительных экстрактах (полифенолы, ферменты, алкалоиды и т. д.) могут отдавать водород свободным радикалам и тем самым нарушать цепную реакцию свободных радикалов. Например, блокирующие полифенол AgNP из водного экстракта плодов Piper longum показали антиоксидантную активность in vitro. Наночастицы серебра, синтезированные экстрактом корня пурпурного сладкого картофеля ( Ipomoea batatas L.), обладали активностью по удалению радикалов in vitro. Экстракт корня сладкого картофеля полон гликоалкалоидов, полифенолов и антоцианов, действующих как поглотители свободных радикалов, а блокирование AgNP этими молекулами может быть отличным антиоксидантом. Элемике и др. предположили, что антиоксидантная способность AgNP обусловлена ​​наличием в растениях фенольных соединений, терпеноидов и флавоноидов, которые позволяют наночастицам действовать как тушители синглетного кислорода, доноры водорода и восстановители. Таким образом, Шринивас и др. предположили, что более высокая антиоксидантная активность AgNP из листьев Lantana camara может быть связана с преимущественной адсорбцией антиоксидантных веществ из экстракта на поверхность наночастиц. Таким образом, высокие показатели антиоксидантной активности фитонаночастиц могут быть связаны и со специфическим кэпированием AgNP специально для лекарственных растений, экстракты которых содержат разнообразные антиоксидантные вещества (полифенолы, флавоноиды и др.).

Рак стал настоящим бичом 20 и 21 веков. Масса побочных эффектов реализуемой «классической» терапии рака и плохая ее переносимость стали поводом для масштабного поиска новых препаратов природного происхождения, способных сдерживать развитие заболевания и излечивать его. Наночастицы серебра широко распространены в качестве потенциальных агентов для диагностики и терапии рака. Имеются доказательства того, что наночастицы серебра могут индуцировать апоптоз-зависимую запрограммированную гибель клеток в отсутствие опухолевого супрессора р53. Кроме того, предполагается, что цитотоксические свойства серебра и гибридных наночастиц серебра могут зависеть от типа клеток, поскольку была продемонстрирована более высокая цитотоксичность против раковых клеток по сравнению с нераковыми фибробластами. Из-за генетических мутаций, возникающих при раке, клеточный цикл, включающий сложную серию сигнальных путей для роста клеток, реплицирует свою ДНК и делится, что нарушается и приводит к неконтролируемой пролиферации клеток. Таким образом, важнейшие этапы клеточного цикла, такие как синтез ДНК (S), Gap2/митоз (G2/M), Gap1 (G0/G1) и subG1, являются основными точками для ареста. Аль-Шедди и др. показали, что AgNP, продуцируемые растением Nepeta deflersiana, обладают способностью индуцировать апоптоз и гибель клеток в результате некроза клеток HeLA, останавливая клеточный цикл subG1. Было обнаружено, что наночастицы серебра индуцируют путь апоптоза, генерируя свободные радикалы кислорода, которые оказывают противоопухолевое, антипролиферативное и антиангиогенное действие in vitro. Также было обнаружено, что наночастицы серебра нарушают нормальную клеточную функцию и влияют на целостность мембран, индуцируя различные гены апоптотической передачи сигналов в клетках млекопитающих, что приводит к запрограммированной гибели клеток . Хорошо известно, что высокий уровень генерации АФК может привести к повреждению клеток, приводя к повреждению митохондриальных мембран, что приводит к токсичности.

Описаны весьма значительные достижения в области противоопухолевой активности AgNP: токсичность в отношении опухолевых клеток HepG2 (гепатоцеллюлярная карцинома человека) и MCF-7 (инвазивная аденокарцинома протоков молочной железы человека). Было обнаружено, что индукция апоптоза клеток HT29 (рак толстой кишки человека) может происходить за счет фрагментации ДНК с помощью наночастиц серебра. Также было показано, что процесс апоптоза может реализовываться через деградацию лизосом во время аутофагии, увеличивая запрограммированную гибель раковых клеток. Аналогичные результаты для клеток Jurkat были получены in vitro, кроме того, в опухолевых клетках, обработанных наночастицами серебра, наблюдалась активация каспазы-3 и конденсация/фрагментация хроматина, что приводило к гибели клеток вследствие апоптотического процесса. Противоопухолевый эффект был также обнаружен для клеток A549 (аденокарцинома человека), клеток HeLa, HCT116 (карцинома толстой кишки человека), MCF-7 (аденокарцинома молочной железы человека), PC3 (линия клеток простаты) и A549 (карцинома легких). клеточная линия). Как и в случае с антиоксидантной активностью, наиболее распространенной биофабрикой для производства AgNP являются растения, особенно те, о противораковых свойствах которых уже известны. Однако для синтеза наночастиц используются и другие организмы, например, грибы A. fumigatus. Обладая мощными антиканцерогенными свойствами и чрезвычайно низкой токсичностью, AgNP являются чрезвычайно перспективными противораковыми лекарствами.

Поскольку альфа-амилаза и альфа-глюкозидаза являются ключевыми ферментами углеводного обмена, их ингибирование является одной из наиболее важных стратегий терапии диабета. Ингибиторы амилазы и глюкозидазы предотвращают распад углеводов до моносахаридов, что является основной причиной повышения уровня глюкозы в крови. Ингибитор амилазы совместно с крахмалистыми продуктами снижает привычный подъем уровня сахара в крови. AgNP представлены как ингибиторы альфа-амилазы во многих исследованиях in vitro и in vivo.

In vitro наночастицам серебра также приписывают противовоспалительный эффект, играя роль в процессе заживления ран благодаря TNF-α, интерферонам и интерлейкину 1, а также ингибируя экспрессию ЦОГ-2 и ММП-3, а также обладают потенциалом снижения активности TNF-α, который участвует в воспалительных процессах. Было показано , что AgNP из экстракта Piper nigrum являются селективными ингибиторами цитокинов IL-1β и IL-6. Разработаны AgNP, синтезированные с использованием полифенолов, присутствующих в экстрактах плодов клюквы европейской. Их противовоспалительное действие выявлено как in vitro (на линии клеток HaCaT, подвергнутой воздействию УФВ-излучения), так и in vivo (на модели острого воспаления у крыс Wistar), что потенциально может быть используются в качестве терапевтических средств для лечения воспалений [ 247 ]. Наночастицы серебра из экстрактов плодов черной бузины европейской (Sambucus nigra) продемонстрировали противовоспалительные свойства in vitro на клетках HaCaT, подвергшихся воздействию UVB-излучения, in vivo на модели острого воспаления и у людей при повреждении псориазом. In vitro о противовоспалительном действии функционализированных AgNP свидетельствует снижение продукции цитокинов, индуцированное УФ-В-облучением, а in vivo предварительное введение AgNP снижает отек и уровень цитокинов в тканях вскоре после индукции воспаления [10]. 248 ]. Кроме того, показано синергическое действие полифенолов и наночастиц серебра по проявлению противовоспалительной активности. Покрытые полифенолами наночастицы серебра in vitro ингибируют выработку провоспалительных цитокинов, ингибируя активацию NF-kB в макрофагах, тем самым демонстрируя хорошую противовоспалительную активность при лечении псориаза. AgNP, полученные с использованием водного экстракта листьев Clinacanthus nutans , обладают хорошими анальгетическими и миорелаксирующими свойствами и могут действовать как анальгетик. Исследование влияния AgNP, полученных из экстракта Cornus mas in vitro, на активированные макрофаги для имитации псориатического воспаления кожи, ex-vivo на воспаленных биоптатах кожи, полученных от пациентов с псориазом, и in vivo в клиническом исследовании на пациентах, страдающих хроническим стационарным бляшечным псориазом. показали значительное подавление выработки провоспалительных цитокинов (IL-12 и TNF-α) по сравнению с контрольной группой во время иммуногистохимического исследования. Было обнаружено, что специфическое воздействие на макрофаги кожи и подавление продукции медиаторов воспаления способствует существенному улучшению терапевтического результата.

Болезнь Альцгеймера связана с дефицитом АХЭ, и AgNP могут быть потенциальными новыми ингибиторами ацетилхолинэстеразы. Наночастицы серебра взаимодействуют с белком АХЭ, ингибируя его активность, что указывает на сродство наночастиц с холинэстеразой. Литофильность наночастиц и гидрофобность окружения молекулы фермента ХЭ обеспечивают это взаимодействие.

Покрытия AgNP используются для модификации катетеров с целью предотвращения образования бактериальных биопленок. Медицинские повязки с наночастицами серебра использовались при клиническом лечении различных заболеваний и травм, таких как ожоги, хронические язвы, пузырчатка и токсический эпидермальный некролиз. AgNPs применяются при создании ортопедических и ортодонтических имплантатов, стоматологических инструментов и бандажей, а также медицинской одежды для предотвращения бактериальных инфекций.

Использование наночастиц серебра для покрытия катетеров является одной из важнейших областей их медицинского применения. Поскольку центральные венозные катетеры (ЦВК) широко используются для обеспечения доступа к внутривенным жидкостям, мониторинга гемодинамики, путей доставки лекарств и нутритивной поддержки у пациентов в критическом состоянии, обеспечение их чистоты и устойчивости к микробному загрязнению является серьезной проблемой. Установлено, что катетеры, модифицированные наночастицами серебра, нетоксичны и способны к длительному высвобождению бактерицидного серебра, оказывающего профилактический эффект против инфекционных осложнений. Обнаружен ингибирующий эффект как в отношении грамположительных (коагулазонегативных стафилококков), так и грамотрицательных микроорганизмов, образующих биопленку на поверхности катетера, покрытую AgNP.

Еще одним важным направлением является применение AgNP для лечения раневых инфекций. В последние несколько лет раневые инфекции, вызванные условно-патогенными микроорганизмами, стали важной проблемой современной медицинской практики. Основная цель в преодолении проблемы – быстрые процессы репарации тканей, сопровождающиеся максимальным восстановлением функциональности и минимальным образованием рубцовой ткани. Процесс заживления ран, как и любой сложный патофизиологический механизм, включает различные стадии, такие как свертывание крови, воспаление, пролиферация клеток, ремоделирование матрикса и тканей. Накопление большого количества данных об антибактериальных свойствах наночастиц серебра, а также давно известных бактерицидных свойствах серебра позволяет использовать AgNP в качестве ранозаживляющих средств. Было обнаружено, что нетоксичные дозы наночастиц серебра, синтезируемых бактериями Bacillus cereus и Escherichiafergusonii, ускоряют образование коллагена и эпителизацию, а также замедляют ангиогенез и продолжительность терминации эпителизации у крыс. Были также обнаружены данные о биоматериалах для улучшения заживления ран, таких как модифицированные хлопчатобумажные ткани, бактериальная целлюлоза и хитозан].

Таким образом, низкая токсичность, низкая себестоимость производства и многочисленные потенциальные возможности бионаночастиц серебра для решения различных биологических задач делают их перспективными объектами для последующих научных исследований и приложений в области практической медицины. Перспективы медицинского применения AgNP, полученных с использованием самых разных биологических объектов, чрезвычайно велики, а количество публикаций на эту тему из года в год только увеличивается. Огромное разнообразие объектов, используемых для синтеза AgNP, только расширит границы наночастиц серебра. Знание механизмов биосинтеза этих чрезвычайно интересных объектов, а также механизмов их влияния на живые организмы, несомненно, откроют в ближайшем будущем новые области применения.

Оригинал статьи