聚乙二醇-金纳米棒介导的近红外光热抑菌作用

第31卷第2期Vol.31 No.22015年2月CHINESE JOURNAL OF INORCANIC CHEMISTRY215-221聚乙二醇-金纳米棒介导的近红外光热抑菌作用冯晓燕陈莹*刘玉鹏王春鹏储富祥(中国林业科学研究院林产化学工业研究所;生物质化学利用国家工程实验室;国家林业局林产化学工程重点开放性实验室;江苏省生物质能源与材料重点实验室,南京210042)摘要:种子生长法合成纵向表面等离子体共振吸收峰为785nm的金纳米棒,并对其表面进行聚乙二醇(PEG)修饰,研究了表面修饰PEG的金纳米樺(polyethylene glycol modifed gold nanorods , PEG-GNR)的光热转化效应,并测试了其细胞毒性。以革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌蜡状芽孢杆菌,革兰氏阴性菌大肠埃希氏菌及铜绿假单胞菌为细菌模型,详细研究了PEC-GNR在808nm波长近红外激光照射下金纳米棒浓度和照射功率对抑菌效果的影响。结果表明,PEG-CNR对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌在近红外照射下均有较好的抑菌效果,并且抑菌效果与金纳米棒的浓度和照射功率有着密切的关系;结合荧光显微镜和透射电子显微镜对细菌坏死状况的观察,初步证实细菌对PEG-GNR有效吸收是近红外光热杀菌的关键因素。关键词:金纳米棒; PEG修饰;光热抑菌中图分类号: TQ131.2文献标识码: A文章编号: 1001-4861(2015)02-0215-07DOI: 10.1 1862/CJIC.2015.059Near-IR Photothermal Antibacterial Effects of PolyethyleneGlycol (PEG) Modified Gold NanorodsFENG Xiao-Yan CHEN Ying* LU Yu-Peng WANG Chun-Peng CHU Fu-Xiang(Institute of Chemical Industry of Forestry Products, CAF China; Key Laboratory of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province China; National Engineering Laboratory for Biomass Chemical Utilization China;Key and Open Laboratory on Forest Chemical Engineering, SFA, Nanjing 210042, China)Abstract: Gold nanorods (CNR) with longitudinal surface plasma resonance (LSPR) absorption at 785 nm weresynthesized by seed-mediated growth method and their surface was modified with polyethylene glycol (PEG)macromolecular (PEG-GNR). The photothermal conversion effect and cytotoxicity of PEG-GNR were investigated.Different bacteria, including gram-positive bacterium Staphylococcus aureus and Bacillus cereus, gram- negativebacterium Escherichia coli and Pse udomonas aeruginosa were used to analyze the influences of concentration ofPEG-GNR and laser output power on the inhibition effects. The results show that the PEG-GNR has goodantibacterial properties for both Gram positive and negative bacterium under the radiation of near-IR laser. Theconcentration of PEG-GNR and laser output power determined antibacterial effects of the PEG-GNR. Thepreliminary investigation on the antibacterial mechanism was explored by studying of bacteria apoptosis statuswith fluorescence microscope and transmission electronic microscope, suggesting that the effective absorption ofthe PEG GNR by the cells is one of the key factors in the process of photothermal antibiosis.Key words: gold nanorod; PEG modifed; photothermal antibacterial efet收稿日期:2014-04-21。收修改稿日期:2014-12-02。中国煤化工中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(No.CAFINT2010K04),国家自然科然科学基金(No.BK20131071)资 助项目。TYHCNMHG“通讯联系人。E-mail:yingchencaf@gmail.com216无机化学学报第31卷细菌的耐药性已成为全球医疗领域中倍受关血酸、巯基化的聚乙二醇(mPEGoorSH)为国产分析注的问题,多药耐药性细菌的出现严重威胁着人类纯试剂;活死细胞试剂盒(LIVE/DEAD BacLight kit,的健康12。人们滥用抗生素导致多药耐药细菌的种美国);金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus ,S.类越来越多,现有抗菌药物的疗效越来越小，这是aureus ,CICC10384)、蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus ,人类公共保健领域面临的最大挑战之---。激光光热B. cereus ,CICC10352)、大肠埃希氏菌(Escherichia coli,疗法是利用外加能量在含有病变的组织中产生一E. coli ,CICC10354)和铜绿假单胞菌(Pseudomonas定范围的高温,达到杀死病原体细胞而不伤害正常aeruginosa,P. aeruginosa,CICC10351)购自 中国工业细胞的目的30,由于没有特异性的靶目标,因而不.微生物菌种保藏管理中心。易产生耐药性。用于光热疗法的激光主要使用可见仪器:紫外可见分光光度计(UV-1800SPECT-光激光，但由于该波段激光对组织的穿透有限,因ROPHOTOMETER,上海美谱达)、透射电子显微镜此激光热疗法具有一定的局限性[。近年来研究报(TEM JEOL-1010, 日本)、酶标仪(ChroMa4300,美道,利用光热转换材料,如有机光热染料吲哚菁绿国)、Zeta电位分析仪(Zetasizer nano zS，MALVERN,或者贵金属和碳纳米材料,能够选择性地增强病变英国)、近红外光激光器(LE-LS-808-3000TFCA,深圳部位的热损伤从而提高治疗效果811。众所周知,金理欧光电公司)、荧光显微镜(OlympusX81,日本)。纳米棒是一类经典的光热转换材料,具有合适比率1.2 聚乙二醇(PEG)修饰金纳米棒(PEG-GNR)的的金纳米棒在近红外区域对激光能量有强烈的吸制备收效应，选择与金纳米棒纵向表面等离子共振金纳米棒溶液的制备7:6.25mL二次蒸馏水(LSPR)波长相匹配的近红外激光作为光源,能够诱中分别加入100 μL HAuCL(0.01 mol.L~)溶液,1.88导皮下深层组织的金纳米棒颗粒产生热效应,促使mL CTAB(0.2 mol.L)溶液,混合均匀后,再加入0.5细胞致死1-1。由于生物组织在近红外区的光吸收mL NaBH(0.01 mol.L)溶液,加完后剧烈摇晃,得很弱,金纳米棒因其独特的近红外光吸收性和光稳到棕黄色的溶液,即为金纳米棒的种子溶液,将它定性,能有效地代替光吸收染料在激光热疗中的应置于30 C恒温条件下静置2h,待用。在另一容器用。近年来,金纳米棒在肿瘤治疗光热疗法等方面中分别加106.9mL的二次蒸馏水,7.425mL得到了广泛的关注和研究[1416相比之下,金纳米棒HAuCl4 (0.01 mol.L-) 溶液和106.4 mL CTAB(0.2在抗菌感染光热疗法的报道却很少见。由于激光光mol.L")溶液,混合均匀后加入1.35 mL AgNO3(0.01热疗法的抑菌机理与普通小分子抗生素的抑菌机mol.L)和1.35 mL抗坏血酸(0.1 mol.L )溶液,该溶理有着显著的不同,因此研究金纳米棒的近红外光液为生长液,待此溶液变为无色后,加人1.8 mL上热抑菌对于探索和解决细菌耐药性的问题有着十述金纳米棒的种子溶液，混合均匀,30 C恒温条件分重要的意义。鉴于此,本研究通过种子生长法制下静置过夜,即得金纳米棒溶液(CTAB-GNR)。将所备获得了纵向等离子体峰为785 nm的金纳米棒,得的金纳米棒溶液置于4 C条件下静置4h,析出并用mPEG0o-SH对其进行了表面修饰，制备在生溶液中多余的CTAB分子,然后通过高速离心处理理条件下更稳定并有较长的体内循环时间的聚乙.去除溶液中残余的自由CTAB分子,并将溶液浓缩二醇修饰的金纳米棒(PEG-CNR),研究了在近红外30倍(原子吸收光谱测得金溶液浓度最终为160.5光照射下PEG修饰的金纳米棒对各种测试菌(包括μg.mL-)，超声分散后与巯基化的聚乙二醇革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(Staphylococcus (mEG0rSH)溶 液混合,mPEG0SH的最终浓度为aureus)、蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus) 、革兰氏阴性2.0mg*mL-',静置,过夜。最终所得的棕红色溶液即菌大肠埃希氏菌(Escherichiacoli)及铜绿假单胞菌为聚乙二醇(PEG)修饰的金纳米棒(PEG-GNR)溶液,(Pseudomonas aeruginosa)的抑 菌效果。备用。1.3 PEG-GNR 的光热转换效应的测定1实验部分将制得的PEG_GNR溶液用二次蒸馏水稀释到1.1实验试剂与仪器金浓度分别中国煤化工ug.mL*,各实验试剂:氣金酸(HAuCl4)、硼氢化钠(NaBH4)、取1 mL溶液| YHCN M H G红外光激光照十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、硝酸银(AgNO,)抗坏射.上述各个浓度的PEG-GNR溶液22 min,定时记第2期冯晓燕等:聚乙二醇-金纳米棒介导的近红外光热抑菌作用221的关系;细菌坏死实验证实细菌对PEG-CNR有效Chin. Sci. Bull.(科 学通报), 2013,58(7):586-592吸收是近红外光热杀菌的关键因素。因此,表面修[10]WU Song(吴松) XIAO Shao- Wen(肖绍文)，LU Gui-Hua(卢饰聚乙二醇的金纳米棒介导的近红外光热法能够桂花),etal. Chin. 1 New Clin. Med.(中国临床新医学),有效的抑制细菌生长。由于抑菌机理与传统的抗生2013.6):531-534素有着显著的区别,近红外光热抑菌法的进一步研[1]KimJ w, Shashkov E V, Galanzha E I, et al. Laser. Surg.Med., 2007,39():622-634究与发展可能会为细菌耐药性问题提供新的解决[2)Cho E C, Au L, Zhang Q. et al. Small, 2010.6():517-522思路。[13]Huang w, Tsai P, Chen Y. Nanomedicine, 2002.267-777-787[l4)Guo R, Zhang L, Qian H, et al. Langmuir, 2010,26(8):5428-参考文献:5434[15)]Cai w, Gao T, Hong H, et al. Nanotechnol. Sci. Appl, 2008,[1] Coenye T, Vandamme P. Environ. Microbiol, 2003,5(9):719-3(1):17-22729[16]Ferari M. Nat. Rev. Cancer, 2005.5(3):161-171[2] Nikoobakht B, El-Sayed M A. Chem. Mater, 2003,15(10);:[7]Nikoobakht B, EI-Sayed M A. Chem. Mater, 2003,15(10):1957-1962[3] SONG Wen-Zhi(宋 文植), JIANG Ya-Ping(姜 雅萍), JI Xiao-[8]Akilany A M, Murphy C J. J. Nanopart. Res, 2010,12():Hui(纪小会), et al. 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