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天然有效又環保的殺菌方法: 可見光遇上奈米金 金厲害

2018-09-03

施士塵 助理教授

國立成功大學 機械工程學系


常見的殺菌方式包含紫外線光源、抗生素、奈米粒子,甚至是將抗生素結合奈米粒子的使用。紫外線波長在250 nm附近具有強烈的殺菌效果,核苷酸會吸收此波長的光線並破壞DNA及RNA,造成蛋白質無法形成並使其死亡;但紫外線因波長短能量高,長時間使用下是會對皮膚或眼睛及其他身體組織造成一定的影響。抗生素為殺死細菌或抑制細菌生長之藥物,其作用機制包括干擾細胞壁合成、抑制蛋白質合成、干擾核酸合成、抑制代謝途徑和破壞菌膜結構等等,但不當使用的情況日益增加,導致細菌發展出各式機制來對抗其抗生素之效用,演變成具有抗藥性的細菌,僅能藉由效用更強之抗生素對付,一旦一種細菌能抵抗三種以上之抗生素,就會演變成超級細菌。

 

圖1 不同照光時間下(PS +, Au-, L +)及(PS+, Au+, L+)之細菌死亡率。

 

當物質縮小至奈米尺度後,具有其高比表面積,與細菌接觸機率隨之提升,常見抗菌奈米材料如銀奈米粒子(Ag NPs) ,Ag NPs會釋放銀離子,使其穿透細胞膜破壞膜完整性,導致DNA失去複製能力,並與細菌之蛋白質的硫醇基結合而使蛋白質變性,使細菌失去活性而死亡,雖然這些具有毒性的奈米粒子對殺菌具有一定的效用,但我們必須考量當其回歸到環境後,可能將對生態有益的細菌造成影響。考慮上述處理方式可能造成的影響,找尋替代治療方式是必須正視的問題,光動力殺菌(Photodynamic inactivation, PDI)則是一種有效的替代方案,主要藉由光敏劑 (Photosensitizer, PS)與目標細胞結合後,暴露在特定波長的光源下,使光敏物質對細胞產生各種活性氧物種 (Reactive oxygen species, ROS),並造成氧化性損傷,是一種相對安全且有效的替代方式。

圖2 赤蘚紅結合金奈米粒子於之光動力作用之示意圖。

(a)赤蘚紅與金奈米粒子結合,(b)赤蘚紅呈現游離狀態

 

選用赤蘚紅 (Erythrosine)作為光敏劑(吸收波長約為526 nm),並搭配綠色LED光源 (吸收波長約為525 nm),針對大腸桿菌 (Escherichia coli, E. coli)進行PDI試驗,探討赤蘚紅搭配綠光的殺菌作用,再確認其殺菌效果後,考慮金奈米粒子(Au NPs)良好的生物相容性且常與抗生素結合,具有攜帶及協助運送之功能,因此將其添加於實驗系統中,希望在不影響細菌生長情況下,比較兩者的殺菌效果。進行PDI後,藉由CFU(菌落形成單位)平板計數及Live/Dead細胞染色試劑確認利用赤蘚紅搭配綠色LED光源 (PS+, L+),在短時間作用下,即可有良好的殺菌效果。同時亦發現在單獨使用金奈米粒子時,並不會影響細菌生長,但搭配赤蘚紅使用時 (PS+, Au+, L+),有助於提升殺菌效率,如圖1所示。

圖3 添加ROS清除劑之檢測結果。

(ascorbic acid抗壞血酸可消滅自由基及單線態氧,mannitol甘露醇可清除羥基自由基,sodium azide疊氮化鈉可清除單線態氧)

 

藉由電子顯微鏡觀測細菌表面形貌,發現金奈米粒子吸附於細菌表面,因此推測金奈米粒子能夠攜帶光敏劑產生協同作用 (Synergy effect),使得光敏劑能更準確地與細菌結合,如圖2所示。除檢測及比較其殺菌效果外,大腸桿菌死亡機制藉由添加ROS螢光試劑進行檢測,並針對其螢光反應進行半定量分析,比較有無添加金奈米粒子進行PDI之差異;光動力作用機制的部份也藉由添加ROS清除劑進行檢測,觀察螢光反應變化後得知系統是因單線態氧 (singlet oxygen)之產生(Type II)而導致細菌死亡,如圖3所示。是一個快速有效且環保的殺菌方式,值得努力推廣於日常生活上使用。