纳米颗粒(NPs)由于其特殊的物理和化学性质，目前已经被广泛地应用于杀菌和肿瘤治疗等生物医药领域。对于粒径较小的NPs (<10 nm)，人们普遍认可的杀菌机理是，NPs通过移位在细菌细胞膜上形成不可修复的孔洞，导致细菌变形和死亡。然而科学家们对于较大粒径NPs的杀菌机制依然无法达成统一，主要原因在于不同条件下所使用的浓度、尺寸、物理和化学性质等参数的迥异性。
近日，皇家墨尔本理工大学 Elena P. Ivanova教授团队将理论和实践相结合，首次提出了适用于“非跨膜” NPs的膜张力杀菌机制：细胞膜与所吸附的NPs 之间的相互作用造成膜张力的增加和脂质双分子层的坍塌和变形，导致细菌机械死亡。该项工作以题为“Antibacterial Action of Nanoparticles by Lethal Stretching of Bacterial Cell Membranes”发表在《Advanced Materials》上。为了评估团簇和单个纳米粒子对菌膜弹性层拉伸的影响，作者综合考量不同粒子的吸附面积、拉伸和压缩自由能、张力、粒子尺寸以及密度等相关变量，建立了适用于粒径较大的NPs的生物物理模型（图1）。正如作者所预期的，菌膜拉伸随着团簇粒径和密度的增加而增加，当达到菌膜极限时，单独一个大的团簇足以使得膜破裂。图2. AuNSPs和AuNSTs吸附在脂质双分子层上。作者分别以模拟的脂质双分子层和细菌细胞膜作为实验模型，便于更直观地观察菌膜吸附AuNPs的过程。首先分别制备了亲水性、疏水性准球形(AuNSPs)和星形(AuNSTs) NPs，尺寸约为100 nm，并深入探讨了此类“非跨膜”NPs的杀菌机制与尺寸、形貌和表面电荷的关系。如图2所示，在油相中将脂质夹在两水相间制成类似三明治结构的脂质双分子层，其面积随着AuNSPs的粘附而减小，而AuNSTs仅吸附在脂质-油/水界面处，其中，双分子层张力和接触角随着AuNSPs的粘附显著增加，据此可证明AuNSPs已经吸附在脂质双分子层上。图3. AuNSPs和AuNSTs对格兰仕阳、阴性菌抗菌性能表征。其次作者考察了AuNPs亲/疏水性、浓度、杀菌动力学以及形貌对抗菌性能的影响。由于AuNSPs对细菌亲和力的差异，其抗菌活性随亲水性增加而增加，随疏水性增加而减小（图3），而AuNSTs抗菌活性略差，并且其表明功能化对抗菌性能影响较小。SEM和TEM电镜图谱表明，AuNPs直接粘附在细胞膜上，使得细胞膜拉伸、凹陷、变形或完全细胞裂解（图4）。此外，Cryo-TEM表征发现AuNPs表明功能化对其抗菌性能有较大影响：亲水性AuNSPs很快被细菌吸附并且包裹在其表面，而疏水性AuNSPs仅游离在细菌悬浮液中，由于AuNSTs与细胞膜接触面积减少而表现出较弱的抗菌活性（图4G）。以上结果均与建立的生物物理模型所预测的结果相吻合。作者通过理论模拟与实验研究相结合的方法，系统阐明了“非跨膜”NPs的机械杀菌机理：由于细胞壁缺少细胞骨架来抵御外部机械力，NPs与细胞膜相互作用使得膜张力增加，膜的整体拉伸和凹陷最终导致细菌死亡。该模型不仅适用于其他生物膜，而且在抗菌机理方面为新颖抗菌剂的合成提供了技术指导。
