酸化亜鉛ナノ粒子の特性と微生物に対するそれらの活性

背景

ナノテクノロジーは、最大100nmのサイズの材料の製造と応用を扱います。それらは、材料科学、農業、食品産業、化粧品、医療、および診断アプリケーションを含む多くのプロセスで広く使用されています[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。ナノサイズの無機化合物は、表面積対体積比が高く、独特の化学的および物理的特徴があるため、非常に低濃度で顕著な抗菌活性を示しています[11]。さらに、これらの粒子は高温高圧でもより安定しています[12]。それらのいくつかは無毒であると認識されており、人体に不可欠なミネラル要素さえ含んでいます[13]。最も抗菌性のある無機材料は、金属ナノ粒子と、銀、金、銅、酸化チタン、酸化亜鉛などの金属酸化物ナノ粒子であると報告されています[14、15]。

亜鉛は、炭酸脱水酵素、カルボキシペプチダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼなどの多くの酵素が不活性になる人間のシステムに不可欠な微量元素ですが、同じ電子構成を持つ同じ元素グループに属する他の2つのメンバーであるカドミウムと水銀は毒性があります。それは多くの生理学的機能を調節するので、真核生物にとって不可欠です[16、17]。亜鉛を含む竹塩は、カスパーゼ-1の活性を調節することによって炎症を治療するための薬草として使用されています。酸化亜鉛ナノ粒子は、NF-kB（核因子カッパB細胞）の活性化を阻害することにより、炎症性サイトカインのmRNA発現を低下させることが示されています[18]。

世界的に、細菌感染症は深刻な健康問題として認識されています。新たな細菌変異、抗生物質耐性、病原菌の発生などが増加しており、より効率的な抗菌剤の開発が求められています。酸化亜鉛は、太古の昔からその抗菌特性で知られています[19]。ファラオの政権時代に使用されていました。歴史的な記録によると、酸化亜鉛は紀元前2000年でも怪我や癤の治療のために多くの軟膏に使用されていました[20]。それはまだ日焼け止めローションで、サプリメント、光伝導性材料、LED、透明トランジスタ、太陽電池、メモリデバイス[21、22]、化粧品[23、24]、および触媒作用[25]として使用されています。毎年かなりの量のZnOが生成されますが、薬として使用されるのはごくわずかです[26]。米国食品医薬品局は、酸化亜鉛（21 CFR 182.8991）を安全であると認めています[27]。生化学物質に対する光触媒および光酸化特性が特徴です[28]。

酸化亜鉛は、EUの危険有害性分類によってNとして分類されています。 R50-53（生態毒性）。亜鉛の化合物は、微量の哺乳類や植物にとって生態毒性があります[29、30]。人体には約2〜3 gの亜鉛が含まれており、1日あたりの必要量は10〜15 mgです[29、31]。ヒトにおける発がん性、遺伝子毒性、生殖毒性を示した報告はありません[29、32]。ただし、亜鉛粉末を吸入または摂取すると、亜鉛熱と呼ばれる状態が発生し、その後に悪寒、発熱、咳などが続くことがあります。

酸化亜鉛ナノ粒子の形態は、合成プロセスに依存します。それらは、ナノロッド、ナノプレート[33,34,35]、ナノスフェア[36]、ナノボックス[35]、六角形、三脚[37]、テトラポッド[38]、ナノワイヤー、ナノチューブ、ナノリング[39,40,41]、ナノケージである可能性があります。 、およびナノフラワー[42、43]。酸化亜鉛ナノ粒子は、同じグループの元素の他のNPと比較して、グラム陽性菌に対してより活性があります。すぐに食べられる食品は、サルモネラ菌に感染しやすくなります 、黄色ブドウ球菌 、および E。コリ これは、食品の安全性と品質に大きな課題をもたらします。抗菌性化合物は、それらが損傷するのを防ぐためにパックされた食品に組み込まれています。抗菌包装には、食品または包装材料に存在する微生物の増殖を阻害または遅延させる無毒の材料が含まれています[44]。人間が消費する抗菌物質は、次の特性を備えている必要があります。

1. a）

   無毒でなければなりません。

2. b）

   食べ物や容器と反応してはいけません。

3. c）

   味が良いか味がないものでなければなりません。

4. d）

   不快な臭いがあってはなりません。

酸化亜鉛ナノ粒子は、上記のすべての要件を満たす無機金属酸化物の1つであるため、医薬品、包装用防腐剤、および抗菌剤として安全に使用できます[45、46]。それは食品素材に容易に拡散し、微生物を殺し、人間が病気になるのを防ぎます。欧州連合の規則1935/2004 / ECおよび450/2009 / ECに従って、アクティブパッケージングは​​、食品の組成またはその周囲の雰囲気を変える能力を備えた、食品と接触する活物質として定義されています[47]。したがって、それは一般的に防腐剤として使用され、食品材料が微生物によって損傷するのを防ぐために高分子包装材料に組み込まれます[48]。酸化亜鉛ナノ粒子は、腸チフス菌に対する抗菌物質として使用されてきました。 および S。アウレウス 試験管内で。これまでに研究されたすべての金属酸化物ナノ粒子の中で、酸化亜鉛ナノ粒子は微生物に対して最も高い毒性を示しました[49]。また、SEMおよびTEM画像から、酸化亜鉛ナノ粒子が最初に細菌の細胞壁に損傷を与え、次に浸透し、最後に細胞膜に蓄積することが実証されています。それらは微生物の代謝機能を妨害し、それらの死を引き起こします。酸化亜鉛ナノ粒子のすべての特性は、粒子サイズ、形状、濃度、および細菌細胞への曝露時間に依存します。さらに、酸化亜鉛ナノ粒子の生体内分布研究も検討されています。たとえば、Wang etal。 [50]は、酸化亜鉛ナノ粒子の長期暴露がマウスの生体内分布と亜鉛代謝に及ぼす影響を3〜35週間にわたって調査しました。彼らの結果は、マウスが食事中に50および500 mg / kgの酸化亜鉛ナノ粒子に曝露されたときに最小の毒性を示しました。 5000 mg / kgの高用量では、酸化亜鉛ナノ粒子は体重を減少させましたが、膵臓、脳、および肺の重量を増加させました。また、血清グルタミン酸ピルビン酸トランスアミナーゼ活性とメタロチオネインなどの亜鉛代謝関連遺伝子のmRNA発現を増加させました。生体内分布の研究では、肝臓、膵臓、腎臓、骨に十分な量の亜鉛が蓄積していることが示されました。酸化亜鉛ナノ粒子/酸化亜鉛微粒子の吸収と分布は、粒子サイズに大きく依存します。 Li etal。 [51]は、6週齢のマウスに経口または腹腔内注射によって供給された酸化亜鉛ナノ粒子の生体内分布を研究しました。 14日間の研究で、酸化亜鉛ナノ粒子を経口投与したマウスでは明らかな悪影響は検出されませんでした。ただし、マウスに2.5 g / kg体重を腹腔内注射すると、心臓、肝臓、脾臓、肺、腎臓、および精巣に亜鉛が蓄積することが示されました。 72時間後に、肝臓の酸化亜鉛ナノ粒子のほぼ9倍の増加が観察されました。酸化亜鉛ナノ粒子は、経口摂取したマウスよりも肝臓、脾臓、腎臓の生体内分布において優れた効率を示すことが示されています。酸化亜鉛ナノ粒子は低濃度では無害であるため、人や植物の特定の酵素を刺激し、病気を抑制します。シンら。 [52]は最近、酸化亜鉛ナノ粒子の生合成、それらの取り込み、転座、および植物系での生体内変化についてもレビューされています。

このレビューでは、抗菌剤としての酸化亜鉛ナノ粒子に関するすべての情報を統合することを試みました。さまざまな微生物に対する酸化亜鉛ナノ粒子の相互作用のメカニズムについても詳細に説明されています。

酸化亜鉛ナノ粒子の抗菌活性

酸化亜鉛ナノ粒子は抗菌性であり、細胞膜に浸透することによって微生物の成長を阻害することが広く知られています。酸化ストレスは脂質、炭水化物、タンパク質、およびDNAに損傷を与えます[53]。脂質過酸化は明らかに最も重要であり、細胞膜の変化を引き起こし、最終的には重要な細胞機能を破壊します[54]。これは、 Escherichia coli の酸化亜鉛ナノ粒子が関与する酸化ストレスメカニズムによってサポートされています。 [55]。ただし、バルク酸化亜鉛懸濁液の場合、H ₂ の外部生成 O ₂ 抗菌特性を説明することが提案されています[56]。また、有毒なイオンを放出するナノ粒子の毒性も考慮されています。酸化亜鉛は本質的に両性であるため、酸とアルカリの両方と反応してZn ²⁺ を生成します。 イオン。

遊離Zn ²⁺ イオンはたんぱく質や炭水化物などの生体分子とすぐに結合し、バクテリアのすべての重要な機能は継続しなくなります。酸化亜鉛、亜鉛ナノ粒子、およびZnSO ₄ の毒性 ・7H ₂ Oは Vibrio fischeri に対してテストされています（表1）。 。 ZnSO ₄ ・7H ₂ Oは、酸化亜鉛ナノ粒子や酸化亜鉛の6倍の毒性があります。ナノ粒子は実際には溶媒に分散しており、溶解していないため、Zn ²⁺ を放出することはできません。 イオン。 Zn ²⁺ の生物学的利用能 イオンは常に100％であるとは限らず、生理学的pH、酸化還元電位、およびそれに関連するCl ^- などの陰イオンによって常に変化する可能性があります。 またはSO ₄ ^2- 。

水性媒体への酸化亜鉛の溶解度（1.6〜5.0 mg / L）は、藻類や甲殻類に有毒な同じ媒体への酸化亜鉛ナノ粒子（0.3〜3.6 mg / L）の溶解度（0.3〜3.6 mg / L）よりも高くなっています[57]。ナノ酸化亜鉛とバルク酸化亜鉛はどちらも、ZnSO ₄ よりも40〜80倍毒性が低いです。 Vに対して。フィシェリ 。 ZnSO ₄ のより高い抗菌活性 溶解度に正比例してZn ²⁺ を放出します イオンは、Zn ²⁺ の正電荷により、細菌細胞内の生体分子に対してより高い移動度とより高い親和性を示します[58]。 生体分子の負電荷。

酸化亜鉛とそのナノ粒子は溶解性が限られているため、溶解性の高いZnSO ₄ よりも微生物に対する毒性が低くなります。 ・7H ₂ O.しかし、金属酸化物ナノ粒子が細菌細胞に侵入して毒性を引き起こすことは必須ではありません[59]。ナノ粒子と細胞壁の間の接触は、毒性を引き起こすのに十分です。それが正しければ、細菌細胞が完全に包まれてその環境から保護され、栄養が吸収されて生命過程を継続する機会がなくなるように、大量の金属ナノ粒子が必要になります。ナノ粒子と金属イオンは細菌細胞よりも小さいため、細胞膜を破壊して増殖を阻害する可能性が高くなります。

ZnO、CuO、Al ₂ などのナノサイズの金属酸化物の数 O ₃ 、La ₂ O ₃ 、Fe ₂ O ₃ 、SnO ₂ 、およびTiO ₂ Eに対して最も高い毒性を示すことが示されています。コリ [49]。酸化亜鉛ナノ粒子は、軽度の細菌感染症の治療に外部から使用されますが、亜鉛イオンは、ウイルスインテグラーゼの酵素活性を高める一部のウイルスおよび人間にとって不可欠な微量元素です[45、60、61]。また、10 mg / Lの亜鉛で処理した場合の伝染性膵臓壊死症ウイルスの69.6％の増加によっても裏付けられています[46]。これは、ZnOのみに比べてZnイオンの溶解度が高いことが原因である可能性があります。 SEMおよびTEM画像は、酸化亜鉛ナノ粒子が細菌の細胞壁に損傷を与え[55、62]、透過性を高め、続いて Eに蓄積することを示しています。コリ それらの増殖を防ぐ[63]。

最近、酸化亜鉛ナノ粒子の抗菌活性が、4つの既知のグラム陽性菌およびグラム陰性菌、すなわち黄色ブドウ球菌に対して調査されました。 、 E。コリ 、 Salmonella typhimurium 、および Klebsiella pneumoniae 。 Kの場合でも、酸化亜鉛ナノ粒子の成長阻害用量は15μg/ mlであることが観察されました。肺炎 、5μg/ mlという低さでした[63、64]。ナノ粒子の濃度が増加すると、微生物の増殖阻害が増加することが注目されています。酸化亜鉛ナノ粒子の最大濃度が45μg/ mlの状態で4〜5時間インキュベートすると、成長が大幅に抑制されました。インキュベーション時間が長くなると、作用機序を大きく変えることなく成長阻害も大きくなると予想されます[63]。

金属酸化物ナノ粒子は、最初に細菌の細胞膜に損傷を与え、次にその中に浸透することが報告されています[64]。 H ₂ のリリースも提案されています O ₂ 抗菌作用の代替となる可能性があります[65]。ただし、この提案では、酸化亜鉛ナノ粒子が存在するだけではH ₂ を生成するのに十分ではないため、実験的な証明が必要です。 O ₂ 。非常に低濃度の亜鉛ナノ粒子または酸化亜鉛ナノ粒子は、人体に毒性を引き起こすことはありません。定期的な代謝機能を実行するには、食物を介した亜鉛の毎日の摂取が必要です。酸化亜鉛は、 Eによる損傷から胃と腸管を保護することが知られています。コリ [65]。胃の中のpHは2から5の間で変化するため、胃の中の酸化亜鉛は酸と反応してZn ²⁺ を生成する可能性があります。 イオン。それらは、炭水化物とアルコールの消化を助ける酵素カルボキシペプチダーゼ、炭酸脱水酵素、およびアルコールデヒドロゲナーゼを活性化するのを助けることができます。 Premanathan etal。 [66]は、原核細胞および真核細胞に対する酸化亜鉛ナノ粒子の毒性を報告しています。 Eに対する酸化亜鉛ナノ粒子のMIC。コリ 、緑膿菌 、および S。アウレウス それぞれ500および125μg/ mlであることがわかりました。酸化亜鉛ナノ粒子の毒性については、（1）ROSの生成と（2）アポトーシスの誘導という2つの作用メカニズムが提案されています。金属酸化物ナノ粒子はROS産生を誘発し、細胞を酸化ストレス下に置き、細胞成分、すなわち脂質、タンパク質、およびDNAに損傷を与えます[67,68,69]。したがって、酸化亜鉛ナノ粒子はアポトーシスを介して毒性を誘発します。それらは、それらを区別することはできませんが、正常細胞よりも癌細胞に対して比較的毒性があります。

最近、Pati etal。 [70]は、酸化亜鉛ナノ粒子が細菌の細胞膜の完全性を破壊し、細胞表面の疎水性を低下させ、細菌の酸化ストレス耐性遺伝子の転写をダウンレギュレートすることを示しています。それらは、ROS産生を誘導することにより、細胞内細菌の死滅を促進します。これらのナノ粒子は、バイオフィルムの形成を妨害し、病原体によって生成された溶血素毒素による溶血を阻害します。酸化亜鉛ナノ粒子の皮内投与は、マウスの皮膚感染症と炎症を大幅に軽減し、感染した皮膚構造を改善することがわかりました。

酸化亜鉛ナノ粒子の溶解度と濃度依存性活性

ナノ粒子は、細菌感染を治療するための治療薬を送達するための担体としても使用されています[1,9]。 100μg/ mlの濃度までの酸化亜鉛ナノ粒子は正常な体細胞に無害であるため、抗生物質の代わりに使用できます。 500〜1000μg / mlの酸化亜鉛ナノ粒子に6時間だけ曝露した後、90％の細菌コロニーが死滅することがわかりました。薬剤耐性 Sでさえ。アウレウス 、 Mycobacterium smegmatis 、および Mycobacterium bovis 低用量の抗結核薬であるリファンピシン（0.7μg/ ml）と組み合わせて酸化亜鉛ナノ粒子で処理した場合、それらの成長の有意な減少が観察されました。これらの病原体は、1000μg/ mlの酸化亜鉛ナノ粒子とともに24時間培養すると完全に破壊されました。したがって、同じ用量を繰り返すと、そのような感染症の患者は完全に治癒する可能性があると結論付けられます。また、50〜500 nmの範囲の酸化亜鉛ナノ粒子のサイズは、細菌の増殖阻害に同じ影響を与えることにも注意してください。

酸化亜鉛の細胞毒性は、さまざまな微生物や植物系の多くの研究者によって研究されてきました[71、72、73、74]。酸化亜鉛ナノ粒子の毒性は、濃度と溶解度に依存します。酸化亜鉛（125 mg / l）懸濁液の最大暴露濃度は、6.8 mg / lのZn ²⁺ を放出することが示されています。 イオン。毒性は、酸化亜鉛ナノ粒子とZn ²⁺ の複合効果です。 水性媒体に放出されたイオン。ただし、金属イオンの影響は最小限であることが検出されました。これは、細菌の増殖阻害が主に酸化亜鉛ナノ粒子と微生物との相互作用によるものであることを示唆しています。特定の金属酸化物ナノ粒子の細胞毒性効果は種に敏感であり、これはいくつかの細菌の成長阻害ゾーンに反映されます[75]。

細菌細胞の増殖阻害は主にZn ²⁺ によって起こることが示唆されています 酸化亜鉛ナノ粒子の細胞外溶解によって生成されるイオン[76]。 Cho etal。 [77]は、ラットに関する研究から、酸化亜鉛ナノ粒子は中性または生物学的pH付近で無傷のままであるが、酸性条件下（pH 4.5）で微生物のリソソームに急速に溶解し、死に至ると結論付けています。これは、酸性条件では酸化亜鉛が溶解し、Zn ²⁺ が溶解するためです。 イオンが生成され、細菌細胞内の生体分子に結合してそれらの成長を阻害します。

酸化亜鉛ナノ粒子は、さまざまな一次免疫担当細胞に対して細胞毒性があることが示されています。トランスクリプトミクス分析は、ナノ粒子が、ナノ粒子の溶解に起因するメタロチオネイン遺伝子のアップレギュレーションを伴う共通の遺伝子シグネチャーを持っていることを示しました[78]。しかし、吸収された亜鉛がZn ²⁺ であるかどうかは確認できませんでした。 または酸化亜鉛、あるいはその両方。ただし、サイズの小さい酸化亜鉛ナノ粒子は、大きいもの（19および> 100 nm）よりも血中濃度が高くなります。酸化亜鉛ナノ粒子の効率は、主にZn ²⁺ を形成するための反応媒体に依存します。 そしてそれらの細胞への浸透。

チェン他[79]は、酸化亜鉛ナノ粒子の解離が細胞のZnホメオスタシスの破壊をもたらすことを報告しています。ナノ粒子の特徴的な特性と生物学的機能への影響は、バルク材料のものとはまったく異なります[80]。ナノ粒子の凝集はマクロファージの細胞毒性に影響を及ぼし、それらの濃度はナノ粒子の凝集の調節に役立ちます。低濃度の酸化亜鉛ナノ粒子は効果がありませんが、高濃度（100μg/ ml）では、病原体ごとに異なる細胞毒性を示しました。

酸化亜鉛ナノ粒子の不注意な使用は、生命システムに悪影響を与える場合があります。ヒト肝細胞におけるそれらのアポトーシスおよび遺伝子毒性の可能性および細胞毒性が研究されてきた。 14〜20μg / mlの酸化亜鉛ナノ粒子に12時間曝露すると、肝細胞の生存率が低下することがわかりました。また、酸化ストレスによるDNA損傷を誘発しました。澤井他[56]は、ROSの生成が酸化亜鉛粉末の濃度に正比例することを示しています。 ROSはミトコンドリア膜電位の低下を引き起こし、アポトーシスを引き起こしました[81]。ナノ粒子の細胞への取り込みは、細胞毒性が発生するために必須ではありません。

酸化亜鉛ナノ粒子のサイズ依存性抗菌活性

ある研究では、Azam etal。 [82]は、グラム陰性菌（ E. coli ）の両方に対する抗菌活性を報告しています。 および P。緑膿菌 ）およびグラム陽性菌（ S。 および枯草菌 ）酸化亜鉛ナノ粒子の粒子サイズの減少により、表面積対体積比の増加に伴って細菌が増加しました。さらに、この調査では、酸化亜鉛ナノ粒子は Bに対して最大（25 mm）の細菌増殖阻害を示しました。枯草菌 （図1）。

グラム陽性菌およびグラム陰性菌株、すなわち a に対して酸化亜鉛ナノ粒子によって生成される抗菌活性および/または阻害ゾーン 大腸菌 、 b 黄色ブドウ球菌 、 c 緑膿菌 、および d 枯草菌 [82]

酸化亜鉛ナノ粒子のサイズが小さいほど、マイクロスケールの粒子よりも優れた抗菌活性を示すことが報告されています[83]。たとえば、Au ⁵⁵ 1.4 nmサイズのナノ粒子は、その毒性の原因となるDNAの主要な溝と相互作用することが実証されています[84]。矛盾した結果が報告されていますが、多くの研究者が酸化亜鉛ナノ粒子の細菌細胞へのプラスの効果を示しました。ただし、Brayner etal。 [63] TEM画像から、10〜14 nmの酸化亜鉛ナノ粒子が（微生物にさらされたときに）内部移行し、細菌の細胞膜を損傷したことが示されています。また、酸化亜鉛/酸化亜鉛ナノ粒子は、5 mMを超えるT細胞[85]および1.2mMを超える神経芽細胞腫細胞[86]に対して毒性があるため、人間に対して毒性があってはならないことも不可欠です。 Nair etal。 [87]は、細菌およびヒトの細胞毒性に対する酸化亜鉛ナノ粒子のサイズ効果を独占的に調査しました。彼らは、グラム陽性菌とグラム陰性菌の両方、および骨芽細胞がん細胞株（MG-63）に対する酸化亜鉛ナノ粒子の影響を研究しました。

酸化亜鉛ナノ粒子の抗菌活性は、それらのサイズに反比例し、それらの濃度に正比例することが知られています[88]。また、活性化に紫外線を必要としないことにも気づきました。それは通常のまたは拡散した日光の下でさえ機能します。細胞毒性活性には、おそらくROSの生成と、細胞質または細胞外膜へのナノ粒子の蓄積の両方が含まれます。ただし、H ₂ の生成 O ₂ ナノ粒子の活性化への関与は無視できません。 Raghupathi etal。 [88]は、さまざまな亜鉛塩から酸化亜鉛ナノ粒子を合成し、Zn（NO ₃ ） ₂ サイズが最小（12 nm）で、表面積が最大（90.4）でした。著者らは、 Sの成長阻害を示した。アウレウス 6 mMの濃度の酸化亜鉛ナノ粒子は、サイズに依存します。細菌細胞を酸化亜鉛ナノ粒子に曝露した際の生細胞の測定から、酸化亜鉛ナノ粒子のサイズが小さくなると、回収される細胞の数が大幅に減少することも示されています。ジョーンズら。 [89]は、直径8nmの酸化亜鉛ナノ粒子が Sの成長を阻害することを示しています。アウレウス 、 E。コリ 、および B。枯草菌。 12〜307 nmの範囲の酸化亜鉛ナノ粒子が選択され、抗菌活性とそのサイズの関係が確認されました。微生物に対するそれらの毒性は、Zn ²⁺ の形成に起因しています。 酸化亜鉛が水に懸濁したときのイオン、およびある程度のpHのわずかな変化。 Zn ²⁺ 以降 イオンは酸化亜鉛ナノ粒子からほとんど放出されません。抗菌活性は主に酸化亜鉛ナノ粒子が小さいためです。サイズが12nmの場合、 Sの成長を抑制します。アウレウス 、ただし、サイズが100 nmを超える場合、抑制効果は最小限に抑えられます[89]。

酸化亜鉛ナノ粒子の形状、組成、および細胞毒性

酸化亜鉛ナノ粒子は、濃度依存的に細胞毒性を示し、感度が異なるために曝露された細胞の種類が示されています[90、91]。 Sahu etal。 [90]は、粒子サイズ間の細胞毒性の違いと、同じ組成の粒子に対する細胞の異なる感受性を強調しています。別の最近の研究では、Ng等。 [91]は、ヒトの肺MRC5細胞における濃度依存性の細胞毒性を調べた。著者らは、TEM調査を使用して、酸化亜鉛ナノ粒子のヒト肺MRC5細胞への取り込みと内在化を報告しています。これらの粒子は、電子密度の高いクラスターの形で細胞の細胞質に認められ、さらに小胞に囲まれていることが観察されましたが、酸化亜鉛ナノ粒子は未処理の対照細胞では見つかりませんでした。 Papavlassopoulos etal。 [92]は、「火炎輸送合成アプローチ」として知られるまったく新しいルートによって酸化亜鉛ナノ粒子テトラポッドを合成しました。テトラポッドは、従来合成されている酸化亜鉛ナノ粒子とは異なる形態をしています。インビトロでの哺乳動物線維芽細胞とのそれらの相互作用は、それらの毒性が球状酸化亜鉛ナノ粒子の毒性よりも著しく低いことを示している。テトラポッドは、Zn ²⁺ が交互に現れる六方晶ウルツ鉱型結晶構造を示しました。 およびO ^2- 三次元形状のイオン。それらは生細胞へのウイルスの侵入を阻止し、紫外線を正確に照射することでさらに強化されます。酸化亜鉛テトラポッドはその構造に酸素空孔があるため、単純ヘルペス ウイルスはヘパラン硫酸を介して付着し、体細胞への侵入を拒否されます。したがって、それらはインビトロでHSV-1およびHSV-2感染を予防します。したがって、酸化亜鉛テトラポッドは、これらのウイルス感染に対する予防薬として使用することができます。酸化亜鉛ナノ粒子の細胞毒性は、哺乳類細胞の増殖速度にも依存します[66、93]。表面の反応性と毒性は、酸化亜鉛テトラポッドの酸素空孔を制御することによっても変えることができます。それらが紫外線にさらされると、テトラポッドの酸素空孔は容易に増加します。あるいは、酸素が豊富な環境でそれらを加熱することにより、酸素空孔を減少させることができる。したがって、酸化亜鉛テトラポッドの独自の特性は、自由に変更でき、その結果、抗菌効率が変化します。

動物実験では、ナノ粒子への呼吸器暴露による肺の炎症、酸化ストレスなどの増加が示されています[94]。ヤンら。 [95]は、初代マウス胚線維芽細胞に対する酸化亜鉛ナノ粒子の細胞毒性、遺伝子毒性、および酸化ストレスを調査しました。酸化亜鉛ナノ粒子は、炭素およびSiO ₂ によって誘発される細胞毒性よりも有意に大きな細胞毒性を誘発することが観察されました。 ナノ粒子。さらに、グルタチオンの枯渇、マロンジアルデヒドの生成、スーパーオキシドジスムターゼの阻害、およびROSの生成を測定することによって確認されました。さまざまなナノ粒子の潜在的な細胞毒性効果は、それらの形状に起因しています。

ポリマーコーティングされたナノ粒子

多くの細菌感染症は、ドアノブ、キーボード、水道の蛇口、浴槽、電話との接触によって伝染します。したがって、そのような表面を開発し、安価な高度な抗菌物質でコーティングして、それらの成長を阻害することが不可欠です。病原体を殺すかもしれないが、人間を惜しまないような濃度の抗菌物質を使用することが重要です。それは、それらが低コストの生体適合性親水性ポリマーでコーティングされている場合にのみ発生する可能性があります。シュワルツら。 [96]は、生体適合性ポリ（ N ）を混合することによる新しい抗菌複合材料ヒドロゲルの調製を報告しています。 -酸化亜鉛ナノ粒子を含むイソプロピルアクリルアミド）。複合フィルムのSEM画像は、酸化亜鉛ナノ粒子の均一な分布を示しました。 Eに対して抗菌活性を示した。コリ 非常に低い酸化亜鉛濃度（1.33 mM）で。また、コーティングは1週間、哺乳類細胞株（N1H / 3T3）に対して無毒であることがわかりました。酸化亜鉛/ヒドロゲルナノコンポジットは、人々が細菌感染症にかかるのを防ぐための生物医学的コーティングとして安全に使用できます。

酸化亜鉛ナノ粒子は安定していますが、ポリビニルピロリドン（PVP）、ポリビニルアルコールなどのさまざまなポリマーでコーティングすることにより、さらに安定化されています（ PVA ）、 ポリ（α、γ、l-グルタミン酸）（PGA）、ポリエチレングリコール（PEG）、キトサン、およびデキストラン[97、98]。人工酸化亜鉛ナノ粒子の抗菌活性を、グラム陰性およびグラム陽性の病原菌、すなわち Eに対して調べた。コリ および S。アウレウス 市販の酸化亜鉛粉末と比較しました。ポリマーでコーティングされた球状酸化亜鉛ナノ粒子は、バルク酸化亜鉛粉末と比較して最大の細菌細胞破壊を示しました[99]。ポリマーでコーティングされたナノ粒子は、溶解性が低く徐放性であるため毒性が低いため、適切なポリマーでコーティングすることで細胞毒性を制御できます。

抗菌活性に対するポリマーコーティングされたナノ粒子の粒子サイズと形状の影響

E。コリ および S。アウレウス さまざまなサイズ（401 nm〜1.2μm）のさまざまな濃度のポリエチレングリコール（PEG）でコーティングされた酸化亜鉛ナノ粒子（1〜7 mM）に曝露すると、サイズが小さくなり、ナノ粒子の濃度が高くなると、抗菌活性が高まることが示されました。ただし、これらすべてのケースでの有効濃度は5mMを超えていました。 Eの細胞形態に劇的な変化が起こります。コリ 酸化亜鉛ナノ粒子への曝露前後の細菌のSEM画像から見ることができる表面[84]。それはNairらによってうまく実証されています。 [87] PEGでキャップされた酸化亜鉛粒子と酸化亜鉛ナノロッドは、100μMを超える濃度でヒト骨芽細胞がん細胞（MG-63）に対して毒性があります。 PEGでんぷんでコーティングされたナノロッド/ナノ粒子は、健康な細胞に損傷を与えません。

創傷被覆材のinvivoおよびinvitro抗菌活性

すべての天然および合成創傷被覆材の中で、Kumarらによって開発された酸化亜鉛ナノ粒子が混入されたキトサンヒドロゲルミクロポーラス包帯。 [100]は、火傷、創傷、および糖尿病性足潰瘍の治療に非常に効果的です。約70〜120nmのナノ粒子が包帯の表面に分散しています。キトサンの分解生成物は、d-グルコサミンおよびグリコサミングリカンとして同定されました。それらは傷害の治癒のために私たちの体にすでに存在しているので、それらは細胞に対して無毒です。創傷は一般に Pを含む。緑膿菌 、 S。 intermedicus 、および S。 hyicus これは、傷を負ったマウスの綿棒からも特定され、約3週間でキトサン酸化亜鉛包帯で正常に治療されました[100]。

酸化亜鉛ナノ粒子の毒性に対するドーピングの影響

酸化亜鉛ナノ粒子に鉄をドープすると、毒性が低下します。 Zn ²⁺ の濃度 酸化亜鉛ナノ粒子も毒性の重要な要因です。ナノおよびマイクロサイズの酸化亜鉛に曝露された微生物細胞の生存率を50％低下させた濃度は、Zn ²⁺ の濃度に非常に近いです。 これにより、Zn ²⁺ の生存率が50％低下しました。 処理された細胞[101、102]。

メルカプトプロピルトリメトキシシランまたはSiO ₂ による酸化亜鉛ナノ粒子のコーティング それらの細胞毒性を低下させます[103]。それどころか、ギルバート等。 [104]は、BEAS-2B細胞では、酸化亜鉛ナノ粒子の取り込みが亜鉛蓄積の主なメカニズムであることを示しました。また、彼らは、酸化亜鉛ナノ粒子が完全に溶解してZn ²⁺ を生成することを示唆しています。 標的細胞の生体分子に結合しているイオン。ただし、酸化亜鉛ナノ粒子の毒性は、取り込みとその後の標的細胞との相互作用に依存します。

酸化亜鉛ナノ粒子の相互作用メカニズム

ナノ粒子は一部の微生物に有毒である可能性がありますが、それらの一部には必須栄養素である可能性があります[55、105]。ナノ毒性は本質的に微生物の細胞膜損傷に関連しており、ナノ粒子の細胞質への侵入とその蓄積を引き起こします[55]。細菌やウイルスの増殖に対するナノ粒子の影響は、粒子サイズ、形状、濃度、凝集、コロイド製剤、および培地のpHに大きく依存します[106、107、108]。酸化亜鉛ナノ粒子の抗菌活性のメカニズムを図2に示しました。

酸化亜鉛ナノ粒子の抗菌活性のメカニズム

酸化亜鉛ナノ粒子は、一般に、平均粒子サイズが480 nmの広範囲の濃度（20〜100 mg / l）で、銀ナノ粒子よりも毒性が低くなっています[55、62、63]。金属酸化物ナノ粒子は、拡散を介して微生物の細胞膜とDNA [63,109,110,111]に損傷を与えます。しかし、細菌の細胞死を引き起こす光触媒によるROSの生成は無視できません[112]。水性媒体中の酸化亜鉛ナノ粒子懸濁液のUV-Visスペクトルは、370〜385nmの間にピークを示します[113]。水分の存在下でROS（ヒドロキシルラジカル、スーパーオキシド、過酸化水素）を生成し、タンパク質、脂質、DNAなどの細菌細胞材料と表面上反応してアポトーシスを引き起こすことが示されています。 Xie etal。 [114]は、 Campylobacter jejuni に対する酸化亜鉛ナノ粒子の影響を調べました。 SEM画像を使用した細胞形態（図3）。 12時間の処理（0.5 mg / ml）後、 C。ジェジュニ 非常に敏感で、細胞がらせん状から球形に変化することがわかりました。 SEM研究は、処理された細胞における球形の優勢を示し、不規則な細胞表面と細胞壁ブレブの形成を示しています（図3a）。さらに、これらの球形細胞は無傷のままであり、鞘状の極性べん毛を持っていた。ただし、未処理の細胞のSEM画像は、明らかにらせん状の形状を示していました（図3b）。一般に、酸化亜鉛ナノ粒子で処理された細菌細胞のSEMおよびTEM画像から、それらが破裂し、多くの場合、ナノ粒子が細胞壁に損傷を与えて細胞壁に侵入することが実証されています[114、115]。

カンピロバクタージェジュニのSEM画像 。 a 同じ増殖条件からの未処理の細胞を対照として使用した。 b C。ジェジュニ 成長の対数増殖期中期の細胞を、微好気性条件下で0.5 mg / mlの酸化亜鉛ナノ粒子で12時間処理しました[114]

酸化亜鉛ナノ粒子は細胞表面に大きな影響を与え、UV-Vis光にさらされると活性化されてROS（H ₂ O ₂ ）O ₂ などの負に帯電したROS種が細胞体に浸透する ^2- 細胞表面に残り、それらの完全性に影響を及ぼします[116、117]。他の多くの細菌に対する酸化亜鉛ナノ粒子の抗菌活性も報告されています[1、5、114、115]。 TEM画像から、ナノ粒子が細胞表面に大きな影響を与えることが示されています（図4）。

a 未処理の正常な Salmonella typhimurium のTEM画像 細胞。 b 細胞に対するナノ粒子の影響（矢印でマーク）。 c 、 d 劣化および破裂した Sの顕微鏡写真。サルモネラ菌 酸化亜鉛ナノ粒子で処理された細胞[115]

Sinha etal。 [118]はまた、酸化亜鉛ナノ粒子と銀ナノ粒子が、（a）中温性菌：エンテロバクター属の細胞質における成長、膜構造、およびそれらの蓄積に及ぼす影響を示しています。 （グラム陰性）および B。枯草菌 （グラム陽性）および（b）好塩菌：好塩菌sp。 （グラム陽性）およびマリノバクター種。 （グラム陰性）。好塩性グラム陰性マリノバクター種およびグラム陽性好塩性細菌種に対する酸化亜鉛ナノ粒子のナノ毒性は、80％の増殖阻害を示した。 5 mM未満の濃度の酸化亜鉛ナノ粒子は、バクテリアに対して効果がないことが実証されました。バルク酸化亜鉛も、これらのパラメーターの大幅な減少を示したものの、成長速度と生存数に影響を与えませんでした。エンテロバクター種は、酸化亜鉛で処理すると、細胞形態の劇的な変化とサイズの縮小を示しました。

AkbarとAnalによって示されたTEM画像[115]は、細胞膜の破壊と細胞質内の酸化亜鉛ナノ粒子の蓄積を明らかにし（図4）、FTIR、XRD、およびSEMによってさらに確認されました。 Zn ²⁺ イオンは、静電力を介して細菌細胞内の生体分子に付着します。それらは実際には、タンパク質部分の窒素原子上の孤立電子対を介してタンパク質分子と協調しています。酸化亜鉛ナノ粒子は水生および陸生微生物と人間のシステムの両方に大きな影響を及ぼしますが、それがナノ粒子のみによるものなのか、酸化亜鉛ナノ粒子とZn2 +の複合効果によるものなのかはまだ確立されていません。 イオン[55、106、109、119]。金属酸化物ナノ粒子の抗菌作用には、細菌細胞への拡散、それに続く金属イオンの放出と細胞死につながるDNA損傷が含まれます[63、109、110、111]。光触媒によるROSの生成も、抗菌活性の理由です[62、112]。 Wahab etal。 [120]は、酸化亜鉛ナノ粒子が摂取されると、それらの表面積が増加し、続いて病原体と酵素の両方との吸収と相互作用が増加することを示しています。したがって、酸化亜鉛ナノ粒子は、生物学的システムの感染を防ぐために使用することができます。 EのTEM画像（図5a、b）から明らかです。コリ 細菌の細胞壁に付着した酸化亜鉛ナノ粒子のMICとともに18時間インキュベートしました。細胞外膜が破裂し、細胞が溶解した。場合によっては、微生物の細胞切断に気づかなかったものの、酸化亜鉛ナノ粒子が細胞内壁に侵入しているのがまだ見られます（図5c、d）。その結果、細菌の細胞壁の厚さに関係なく、細胞内物質が漏れ出して細胞死を引き起こします。

Escherichia coli のTEM画像 （ a ）、 Eを含む酸化亜鉛ナノ粒子。コリ さまざまな段階で（ b および挿入図）、 Klebsiella pneumoniae （ c ）、および Kの酸化亜鉛ナノ粒子。肺炎 （ d および挿入図）[120]

酸化亜鉛ナノ粒子と細菌細胞との相互作用のメカニズムを以下に概説します[120]。酸化亜鉛は太陽からのUV-Vis光を吸収し、水の要素を分割します。

溶存酸素分子はスーパーオキシド、O ₂ に変換されます ⁻ 、H ⁺ と反応します HO ₂ を生成します ラジカルと電子との衝突後、過酸化水素アニオン、HO ₂ ⁻ 。その後、H ⁺ と反応します H ₂ を生成するイオン O ₂ 。

負に帯電したヒドロキシルラジカルとスーパーオキシドイオンは細胞膜に浸透できないことが示唆されています。フリーラジカルは非常に反応性が高いため、自由にとどまることができないため、分子を形成するか、対イオンと反応して別の分子を生成することができます。しかし、酸化亜鉛が太陽光を吸収し、さまざまな方法で結合して酸素を生成する可能性のある水分子を切断するのに役立つことは事実です。酸化亜鉛ナノ粒子の存在下での酸素生成のメカニズムは、まだ実験的証拠が必要です。

5μg/ mlの酸化亜鉛は、最小発育阻止濃度として摂取できるすべての微生物に対して非常に効果的であることがわかっています。

結論

亜鉛は、医学、生物学、産業で広く使用されている不可欠な無機元素です。成人の1日あたりの摂取量は8〜15 mg /日で、そのうち約5〜6 mg /日が尿や汗によって失われます。また、それは骨、歯、酵素、および多くの機能性タンパク質の必須成分です。亜鉛金属は、人間、動物、植物、および細菌の成長に不可欠な微量元素ですが、酸化亜鉛ナノ粒子は、多くの真菌、ウイルス、および細菌に対して毒性があります。可溶性亜鉛結合タンパク質の固有の遺伝的欠損を持つ人々は、腸性肢端皮膚炎に苦しんでいます。腸性肢端皮膚炎は、荒れたうろこ状の皮膚のようなパイソンによって示される遺伝性疾患です。ナノ粒子の不注意な使用と廃棄のために相反する報告が寄せられていますが、一部の金属酸化物ナノ粒子は男性、動物、植物に有用です。必須栄養素は、過剰に摂取すると有害になります。 DNA損傷の可能性が報告されているにもかかわらず、酸化亜鉛の変異原性は細菌で十分に研究されていません。酸化亜鉛ナノ粒子は、他の光線を乱すことなく紫外線を吸収することによって活性化されることは事実です。酸化亜鉛ナノ粒子がROSを生成する場合、それらは皮膚に損傷を与える可能性があり、日焼け止めとして使用することはできません。抗菌作用は日光によって触媒される可能性がありますが、うまくいけば、それはROSの形成を防ぐことができます。酸化亜鉛ナノ粒子および可溶性高分子材料でコーティングされた亜鉛ナノ粒子は、癌治療における薬物担体として使用される以外に、創傷、潰瘍、および多くの微生物感染症の治療に使用することができる。将来的に抗生物質に取って代わる可能性のある安全な抗菌薬として大きな可能性を秘めています。科学、医学、技術のさまざまな分野での酸化亜鉛ナノ粒子の適用は、それが人間と動物にとって等しく重要である不可欠な物質であることを示唆しています。ただし、高濃度での長時間の曝露は、生体系に有害である可能性があります。