设为星标，好文不错过！
背景介绍
抗生素的发明极大地保障了人类健康，延长了人们的寿命。然而，抗生素的大量使用也会带来很多负面效应，比如药物依赖、环境污染、经济负担等，尤其是耐药性的产生，不仅会降低乃至失去治疗效果，而且会导致“超级细菌”的出现，带来无药可治的严重后果。目前，细菌对抗生素的耐药性问题仍是个世界难题，至今尚无法解决。另外，抗生素的泛滥使用和大量排放也造成严重环境污染，给人畜带来危害；同时，这些污染物会对敏感菌产生二次刺激，从而加速耐药性的产生和发展。针对上述问题，同济大学吴庆生教授团队采用纳米技术，同步实现了纳米协同药物增效（1+1＞2）、避免细菌耐药性、去残留免环境污染等三重效应，可谓“一箭三雕”。
图文解读
同济大学吴庆生教授团队选取了具有代表性的金属Ag和半导体ZnO纳米杀菌剂，设计并合成了Ag/ZnO核壳结构(AZ)。然后通过药敏纸片实验研究了AZ与67种抗大肠杆菌抗生素的相互作用。初筛出与AZ具有协同增效（1+1＞2）的抗生素，用肉汤法进一步判断协同作用的类型。随后，对Ag/ZnO复合材料与抗生素的协同作用机理进行了研究。最后，通过Ag/ZnO的光催化作用降解使用过的抗生素。从而实现了协同增效-减药量杀菌-耐药性延时-残留抗生素降解的一体化。
图1. Ag/ZnO核壳结构的制备流程图。
如图1所示，该工作首先通过水热合成Ag/C核壳结构（AZ），随后在表面原位合成氧化锌。在500 ℃下进行煅烧处理以去除碳层，从而得到具有一定中空核壳结构的Ag/ZnO复合材料。图2显示了AC和AZ的形貌特征。结合STEM图中不同位置处的EDS结果，可以证明以ZnO为壳Ag为核的结构的成功合成（图3）。
图2. AC (a, b) 和AZ (d, e, f) 的SEM图像。AC (c) 和AZ (g, h) 的TEM图像。AZ (i) 的HRTEM图像。
图3. AZ的STEM图像 (a) 。点1 (b) 和点2 (c) 处的EDS光谱。
随后，将AZ，Ag和ZnO与67种抗生素进行药敏纸片实验(图4a)。在协同体系中，Ag与部分氨基糖苷类抗生素具有协同作用，而ZnO与部分ß-内酰胺类抗生素具有协同作用。有趣的是，AZ与一些氨基糖苷类和ß-内酰胺类抗生素均表现出明显的协同作用(图4b)。例如，加入AZ后，庆大霉素、阿米卡星和头孢西丁的抑菌带面积分别增加了27.5%、21%和21.8%，说明复合物保留了单个成分的协同作用，实现了更广谱的抗生素协同作用。
图4. (a) 在无AZ和有AZ (10μg/盘) 情况下，不同抗生素对大肠杆菌的抑菌圈面积增加率。(b) 部分氨基糖苷类和β-内酰胺类抗生素在Ag、ZnO和AZ存在时对大肠杆菌抑菌圈面积增加率。
上述AZ与抗生素复合体系的协同效果通过肉汤法进一步判断，FICI值均小于等于0.5，说明AZ与抗生素之间是增效作用。其中AZ与庆大霉素的FICI最小。进一步以菌落计数法分析（图5），ZnO-庆大霉素、Ag-庆大霉素和AZ-庆大霉素的杀菌效率分别为44.6%、55.4%和80.2%。AZ复合材料的组合体系也优于单一材料，这与上述结果一致。单用AZ和抗生素的杀菌效率分别为34.7%和22.8%。复合体系达到80.2%。在两者叠加的基础上，也增长了22.6%。这进一步表明，两者的结合达到了1 + 1> 2的杀菌效果。
图5. 培养时间为10 min时，添加不同添加剂的培养皿图像。(a) 空白; (b) Ag; (c) ZnO; (d) AZ; (e) GEN; (f) Ag-GEN; (g) ZnO-GEN; (h) AZ-GEN。
随后，文章进一步分析了AZ与抗生素的协同杀菌机制。通过分析材料的表面带电情况、AZ与抗生素之间的结合方式、细菌细胞膜的通透性变化、活性氧核离子析出情况等推论出可能的杀菌机理。含有庆大霉素的AZ纳米材料与细菌接触后产生一定的机械损伤。同时，溶解的银离子通过静电作用破坏磷脂双分子层，在细胞膜表面形成小孔。这时庆大霉素和多余的银离子很容易通过这些孔进入细胞。庆大霉素可与核糖体的30S亚基结合，抑制蛋白质合成。银离子可与蛋白质中的-SH结合使蛋白质失活。这些破坏使细菌的表面损伤不可修复，加速了细菌的死亡。此外，杀菌结束后，体系中的AZ可作为光催化剂降解残留抗生素，避免环境污染。
图6. AZ与庆大霉素的协同杀菌机制和光降解示意图。
总结与展望
综上所述，该工作制备了一种新型的Ag/ZnO蛋黄结构纳米材料，研究了其与抗生素的协同抗菌作用，首次获得了协同增效-避耐药-免污染三重效应。研究结果表明， AZ与庆大霉素复合组装体系的杀菌效率（80.2%）大大高于二者单独杀菌的效率之和(34.7% + 22.8% = 57.5%)，其净增效率为22.7%，充分体现了1 + 1> 2的效果。因此，通过这种方式在治病时可以大幅度减少抗生素的用量，使得细菌出现耐药性的时间大大推迟，乃至于在疾病治愈之前细菌的耐药性还没来得及产生。再利用AZ的光催化效应 通过光照将残留的抗生素彻底降解。这样，不仅可以大大降低医疗费用，减轻病人的经济负担；而且可以消除抗生素的排放，减少环境污染；更重要的是可能避免耐药性的产生，为解决耐药性这一难题提供一条可行的间接途径，为人类健康带来福音。
文章信息
相关工作以“A novel Ag/ZnO core–shell structure for efficient sterilization synergizing antibiotics and subsequently removing residuals”为题发表在Green Energy & Environment期刊，共同第一作者为韩文美博士和王文利副教授，通讯作者为吴庆生教授、贾润萍教授和吴彤研究员。
撰稿：原文作者
编辑：GEE编辑部
往期推荐
中国海洋大学李春虎&孟祥超团队GEE：用于增强光催化析氢P掺杂g-C3N4/Ti3C2 MXene 1D/2D异质结的构筑