Наночастицы серебра: обзор противовирусных свойств, механизма действия и области применений.

Новые противовирусные препараты и новые профилактические противовирусные стратегии являются объектом пристального научного интереса. Благодаря своим особым свойствам наноматериалы играют важную роль в этой области, и, в частности, среди металло-материалов очевидно, что наночастицы серебра эффективны против широкого спектра вирусов, в дополнение к сильному антибактериальному эффекту. Хотя механизм противовирусного действия до конца не выяснен, наночастицы серебра могут воздействовать непосредственно на вирусы и на первых этапах их взаимодействия с клеткой-хозяином, в зависимости от нескольких факторов, таких как размер, форма, функционализация и концентрация. 

В этом обзоре представлен обзор противовирусных свойств наночастиц серебра, а также продемонстрированных механизмов их действия и факторов, в основном влияющих на их свойства. Кроме того, проанализированы области потенциального применения, демонстрирующие универсальность наночастиц серебра, которые могут использоваться в нескольких устройствах и приложениях, включая биомедицинские приложения, учитывающие здоровье человека и животных, экологические приложения, такие как фильтрация воздуха и очистка воды, а также для целей пищевой и текстильной промышленности. Для каждого применения указывается уровень изученности устройства, если это лабораторное исследование или коммерческий продукт.

Появляющиеся и рецидивирующие вирусы представляют растущую угрозу для здоровья человека. Вирусы представляют собой облигатные внутриклеточные патогены нанометрового размера, которые вызывают широкий спектр неблагоприятных состояний у людей, а также у животных и растений, оказывая огромное влияние на общество с точки зрения заболеваемости, смертности и экономического бремени. 

Тем не менее, список вирусных заболеваний, для лечения которых доступны противовирусные препараты или вакцины, все еще относительно короткий, и у некоторых вирусов развивается устойчивость к современным методам лечения. В частности, одобренные противовирусные препараты в основном направлены против хронических инфекций, вызываемых вирусом иммунодефицита (ВИЧ-1), вирусом гепатита В (HBV), вирусом гепатита С (HCV), вирусами простого герпеса I и II типов (ВПГ-1 и ВПГ-2) и цитомегаловирусом (CMV), и несколько препаратов были одобрены для лечения острых инфекций, в основном гриппа. 

Вакцинация остается наиболее эффективным инструментом в борьбе с инфекционными вирусными заболеваниями, такими как гепатиты А и В, ротавирусный гастроэнтерит, свинка, ветряная оспа и текущая коронавирусная болезнь (COVID-19).

И по-прежнему существует множество вирусов, для лечения которых у нас нет никаких профилактических или терапевтических средств. В этом контексте, а также учитывая высокую распространенность вирусных инфекций, исследования новых противовирусных препаратов или новых профилактических противовирусных стратегий стали чрезвычайно важными и объектом пристального научного интереса.

За последнее десятилетие нанотехнологии показали многообещающие результаты в борьбе с вирусами, и в частности, наночастицы серебра (AgNP) привлекли внимание научного сообщества благодаря своей антимикробной активности широкого спектра действия и потенциальному применению в различных областях биомедицины. AGNP имеют типичный диапазон размеров от 1 до 100 нм. Существует большое разнообразие методов синтеза AgNP, таких как химические, физические и биологические методы, которые могут существенно влиять на их размер, структуру и свойства. Тем не менее, многочисленные факторы, такие как диспергирующие агенты, поверхностно-активные вещества и температура, можно контролировать для получения AGNP с определенными размерами и свойствами.

В большом количестве литературы сообщается, что AGNP обладают антибактериальной и противогрибковой активностью, например, против золотистого стафилококка, кишечной палочки и Candida albicans, и указывается, что эти свойства зависят от способности AgNP напрямую связывать микроорганизмы, оказывая, таким образом, прямое биоцидное действие, или влиять на их способность изменять функции ДНК и белков . 

Кроме того, некоторые работы показали, что катионы Ag + (которые могут высвобождаться AgNPs) обладают сильной тягой к органическим компонентам, содержащим атомы серы и фосфора, демонстрируя, что антимикробный эффект серебра обусловлен взаимодействием этих ионов с тиоловыми группами с последующим нарушением размерной стабильности ключевых функциональных белков. 

В последнее время в многочисленных исследованиях также сообщалось о противовирусной активности AgNP в отношении широкого спектра семейств вирусов и было продемонстрировано их особенно интересное профилактическое действие, заключающееся в прямой вирулицидной активности или изменении связывания вируса с клеткой-хозяином. 

В 2005 году Элечигерра и др. были первыми авторами, описавшими взаимодействие между ВИЧ и AgNPs и взаимосвязь между анти-ВИЧ эффектом и размером частиц. С того момента было проведено несколько исследований с целью изучения противовирусных свойств AgNP. Вирусы, принадлежащие к различным категориям, таким как вирусы в оболочке и без оболочки, ДНК- и РНК-вирусы, а также хорошо известные и появляющиеся вирусы, были подвергнуты скринингу, при этом вирус гриппа типа А (IFV) и ВПГ-1 и ВПГ-2  идентифицированы как наиболее исследованный. Факторы, влияющие на противовирусную активность AgNP, аналогичны тем, которые признаны за их антибактериальный эффект, такие как размер, форма, распределение/ концентрация, химический состав и морфология поверхности.

На основе существующих фактических данных были предложены различные области применения AgNP в области вирусологии, такие как лечение и профилактика вирусных заболеваний, ветеринарное применение, очистка воды и воздуха, а также применение в пищевой и текстильной промышленности. 

 Таким образом, целью данного обзора является анализ противовирусных свойств AgNP широкого спектра действия, а также механизмов их действия, факторов, влияющих на их противовирусные эффекты, и подтвержденных или перспективных применений. 

 Доказательства противовирусной эффективности AgNP In Vitro и In Vivo

Результаты нашего электронного поиска выявили противовирусный потенциал AgNPs широкого спектра действия. Действительно, сообщалось, что AgNPs снижали инфекционность 31 вируса, принадлежащего к 17 различным семействам вирусов. Примечательно, что самые последние результаты показали, что AgNP также обладают противовирусной активностью в отношении SARS-CoV-2, и предположили, что они могли бы найти применение в качестве дополнительной стратегии прекращения текущей пандемии.

 Были исследованы другие вирусы, передаваемые воздушно-капельным путем, которые, подобно SARS-CoV-2, могут эффективно распространяться среди людей, вызывая вспышки, которые трудно контролировать. В частности, в многочисленных исследованиях in vitro сообщалось о противоинфекционной активности AGNP различного происхождения, а в некоторых отчетах также указывалась их активность в отношении респираторно-синцитиального вируса (RSV), вируса парагриппа человека (HPIV)  и аденовируса (ADV). Интересно, что анти-IFV и анти-RSV активность AgNPs также была продемонстрирована на моделях in vivo. Интраназальное введение AgNPs мышам значительно увеличивало выживаемость после заражения IFV H3N2, демонстрируя более низкие титры легочного вируса и незначительные патологические поражения легочной ткани. Изучали влияние AgNPs на мышей, экспериментально инфицированных RSV BALB / c. Они сообщили о AgNP-опосредованном снижении репликации RSV у мышей со значительным снижением уровней провоспалительных цитокинов и провоспалительных хемокинов.

 Они также наблюдали увеличение набора и активации нейтрофилов в легочной ткани. Насколько нам известно, ни в одном отчете не был продемонстрирован противовирусный потенциал этих наночастиц в отношении широко распространенных риновирусов (ВСР), основной причины простуды.

 Недавно  последовательно продемонстрировано, что композитное покрытие из нанокластеров серебра и кремнезема, нанесенное методом совместного распыления на воздушные фильтры, а также на хлопчатобумажные ткани, было значительно активным в отношении RSV и IFV, но не в отношении ВСР. Эти данные подчеркивают, что противовирусный эффект AgNPs на этот последний респираторный патоген все еще остается открытым вопросом.

Наряду с респираторными вирусами, HSV-1 и HSV-2 были тщательно исследованы на предмет их чувствительности к AgNPs. Анти-ВПГ активность функционализованных AgNP  и AgNP растительного или грибного происхождения была проанализирована in vitro, а также были получены результаты in vivo.  В частности, модифицированные дубильной кислотой AgNP (TA-AgNP) были протестированы на мышиных моделях вагинальных инфекций HSV-2, и результаты показали, что они индуцировали выработку цитокинов и хемокинов, важных для противовирусного ответа, улучшали клинический исход у мышей и снижали титры вируса в тканях влагалища. После повторного исследования ткани влагалища, обработанные TA-AgNPs, показали значительное увеличение процентного содержания IFN-гамма+ CD8+ Т-клеток, активированных В-клеток и плазматических клеток, в то время как селезенка содержала значительно более высокий процент IFN-гамма + NK-клеток и эффекторных CD8+ Т-клеток памяти по сравнению с группой, получавшей NaCl. 

Разработали мукоадгезивной гелеобразующей системы с TA-AgNPs для потенциального лечения инфекций HSV-2, и последовательно подтвердили эффективность на моделях in vivo. Несмотря на эти данные, несомненно, необходимы дальнейшие исследования для выяснения роли наночастиц в профилактике ВПГ-инфекций in vivo. AGNP также доказали свою активность в отношении вирусов, передающихся половым путем и через кровь, таких как ВИЧ, HBV и HCV; в отношении вирусов, передающихся фекально-оральным путем, таких как вирус гепатита А (HAV) и энтеровирусы ; и в отношении новых арбовирусов, таких как вирус чикунгуньи (CHIKV) и вирус денге (DENV). Следует отметить, что для каждого вируса доступно лишь несколько отчетов in vitro и что эффективность AgNP против упомянутых в последних вирусов требует дальнейшего изучения.

Противовирусные механизмы действия AgNP

Как правило, противовирусные соединения ингибируют образование новых вирусов, блокируя важнейшие этапы репликации вируса или непосредственно воздействуя на вирус. Поэтому понимание противовирусного механизма действия AgNP важно для целенаправленной и эффективной разработки новых противовирусных стратегий с использованием наночастиц. Тем не менее, их противовирусные механизмы все еще находятся в стадии изучения и, по-видимому, зависят от синтеза AgNPs, при этом многие факторы, такие как размер, форма и функционализация поверхности, влияют на противовирусную активность.

 Часть этого обзора посвящена разъяснению основных механизмов ингибирования, которые были описаны до сих пор. Многочисленные исследования продемонстрировали, что AGNP в основном действуют путем физического взаимодействия со свободной вирусной частицей или с вирусной частицей, связанной с клеткой. Таким образом, AgNPs могут проявлять вирулицидную активность, то есть инактивировать инфекционную вирусную частицу или морфологическое изменение вириона; или могут ингибировать ранние фазы репликации вируса, то есть связывание вируса с клеткой—хозяином или процессы проникновения вируса. Хотя это наиболее представленные противовирусные механизмы, также было предложено ингибирование поздних стадий репликации вируса, но эти эффекты на внутриклеточном уровне менее известны. С этой точки зрения противовирусная активность AgNP широкого спектра действия наряду с их способностью предотвращать клеточную инфекцию привлекает пристальное внимание во многих секторах, начиная от обработки воды и воздуха, производства средств индивидуальной защиты, упаковки пищевых продуктов, текстильной промышленности и заканчивая биомедицинской сферой, которая, вероятно, является одной из наиболее быстрорастущих областей. Действительно, разрушение вирусных частиц или ингибирование процессов прикрепления вируса и проникновения являются очень привлекательными стратегиями с медицинской точки зрения. 

Возможность предотвращения клеточной инфекции в первую очередь ограничила бы токсичность для хозяина и риск индуцирования вирусной резистентности и была бы идеальной для того, чтобы предложить эффективную и немедленную стратегию в борьбе с новыми, появляющимися вирусными штаммами.

Следует отметить, что в экспериментах, использованных для выяснения механизмов действия AgNP, существует неоднородность, иногда затрудняющая определение стадии ингибирования репликации вируса. Многочисленные исследования четко продемонстрировали противовирусную активность AgNPs и иногда демонстрировали их физическое взаимодействие с вирусом, но они лишь предположили возможный механизм действия и указали, что их результаты требуют дальнейших исследований.

 Ингибирование AgNP ранних стадий репликации вируса

Показано, что AgNP ингибируют ранние стадии репликации вируса, то есть связывание вируса с клеткой-хозяином или процессы проникновения вируса в клетку (начальная стадия). Ингибирование связывания вируса относится к способности противовирусного соединения временно взаимодействовать с вирусными рецепторами, тем самым препятствуя взаимодействию с клетками, или конкурировать с вирусом за те же клеточные рецепторы, маскируя их таким образом и предотвращая прикрепление вируса к клеткам. Напротив, ингибирование стадии проникновения вируса заключается в специфическом изменении одного из различных процессов проникновения, которые вирусы могут использовать для заражения клеток, включая слияние вирусной оболочки с клеточной мембраной или рецепторно-опосредованный эндоцитоз. Использование различных температур - 4 ° C и 37 ° C — позволяет исследовать in vitro влияние AgNP на каждую конкретную стадию вирусной инфекции.

 Ингибирование связывания и проникновения вируса можно считать эффективной профилактической стратегией. Тем не менее, поскольку наночастицы и вирусы должны присутствовать на поверхности клетки-хозяина одновременно, потенциальный токсический эффект AgNPs должен быть детально проанализирован до разработки потенциального применения.

В нескольких отчетах указывалась способность AgNPs воздействовать на поздние стадии вирусной репликации двух разных вирусов гепатита. Недавно Shady et al. сообщалось, что AGNP, синтезированные зеленым способом из общего экстракта и фракции петролейного эфира Amphimedon sp, оказывали ингибирующее действие на геликазу NS3 HCV и протеазу, ключевой фермент для репликации HCV, и что эта активность превосходила AGNP нитрата серебра, использованные в качестве контроля. Эти данные были получены с помощью биохимического анализа хеликазы и протеазы против ВГС; поэтому для подтверждения результата необходимы более углубленные исследования, включая клеточные анализы и анализы in vivo. И наоборот, ученые связали анти-HBV активность AgNPs с их способностью напрямую взаимодействовать с двухцепочечной ДНК HBV или вирусной частицей. Авторы показали, что AGNP (размером 10 и 50 нм) способны снижать внеклеточное образование ДНК HBV в клетках HepAD38 более чем на 50% по сравнению с контрольным носителем и что они могут ингибировать образование РНК HBV. Анализы изменения подвижности геля показали, что AgNPs связывают двухцепочечную ДНК HBV при молярном соотношении ДНК: серебро 1: 50 и что аффинность связывания с ДНК HBV была подтверждена методом абсорбционного титрования. Кроме того, анализ TEM показал, что AgNPs также могут напрямую взаимодействовать с вирусными частицами HBV, полученными от пациентов.

В целом, мы можем заключить, что ингибирование поздних стадий репликации вируса наблюдалось редко и, безусловно, не является основным противовирусным механизмом действия AgNP.

 Влияние размера и концентрации на противовирусную активность AgNP

Противовирусная активность AgNP преимущественно зависит от размера и дозы, как показано на рисунке 1.

AgNP обычно синтезируются размером менее 100 нм. Однако только диапазон размеров от 5 до 30 нм считается приемлемым для использования противовирусного эффекта, максимум которого обычно достигается при AGNP менее или равных 10 нм. Частицы меньшего размера более эффективно воздействуют на вирусную инфекцию благодаря высокой подвижности и размеру, а не вирусному измерению, как сообщалось в исследованиях вируса гриппа A H1N1, полиовируса, ВИЧ, ВПГ-1 и ВПГ-2. Elechiguerra et al. продемонстрировали, что AgNPs размером 1-10 нм взаимодействуют с ВИЧ-1, в то время как частицы большего размера не связывают вирус. Связывание ВИЧ с клетками происходит через гликопротеины, расположенные на одинаковом пространственном расстоянии от вирусной оболочки, так что только наночастицы определенного размера, сопоставимого с этим расстоянием, могут связывать вирусные белки и ингибировать их репликацию. Это исследование предполагает, что аналогичный механизм действия, использующий размер частиц, может быть применен к другим вирусам.

Huy и др. указали, что разница в размере между AgNPs и вирусными частицами также важна для определения противовирусного эффекта. Фактически, учитывая различные концентрации AgNP и разное количество инфекционных частиц полиовируса, AgNP размером 7,1 нм снижали вирусную инфекционность при самой низкой тестируемой концентрации. Вероятно, на это повлиял размер наночастиц, который намного меньше размера полиовируса, составляющего 25-30 нм. Эта разница в размере придала наночастицам серебра большую подвижность и, следовательно, легкое взаимодействие с частицами полиовируса. В исследовании in vitro аналогичные AgNP размером около 9 нм, полученные электрохимическим методом, ослабляли БМП-инфекцию, взаимодействуя с вирусными частицами и разрушая их морфологические структуры зависящим от времени образом. Те же AgNP, протестированные in vivo при интраназальном введении, ингибировали репликацию вируса в легких и развитие патологических поражений легких. Оценен противовирусный потенциал коммерческих AgNP размером от 2 до 100 нм в отношении SARS-CoV-2 и подтвердили сильнейший эффект наночастиц меньшего размера. Сравнение AGNP разного размера (10, 75 и 110 нм)показали, что только частицы размером 10 нм проявляли противовирусную активность в отношении FCV, в то время как наночастицы размером 75 нм и 110 нм не снижали титр вируса.

Частицы размером менее 10 нм и с более контролируемым диапазоном размеров (меньшим стандартным отклонением) обычно получают электрохимическими методами, тогда как биологические процессы обычно приводят к образованию наночастиц с большим диапазоном размеров. 

Правильный баланс между размером и концентрацией может также вызывать противовирусную активность у более крупных наночастиц. В целом, чем выше концентрация AgNPs, тем сильнее противовирусный эффект. В большинстве исследований сообщалось о противовирусной эффективности AgNP в концентрациях от 10 до 100 частей на миллион , но меньшие AgNP и более высокая концентрация повышают риск токсичности по отношению к клеткам

.

Влияние функционализации AgNP на противовирусную активность

Для предотвращения прямого контакта металлических наночастиц с клетками, снижая таким образом их возможную цитотоксичность, можно было бы использовать несколько подходов, таких как модификация поверхности AgNP, нанесение покрытия только AgNP или комбинаций с другими элементами. Однако эти методы могут также влиять на взаимодействие между вирусами и наночастицами: на противовирусный эффект функционализированных или покрытых AgNP или AgNP, встроенных в композитный материал, могут влиять физические препятствия из-за комбинации со вторым элементом. В качестве примера, металлические наночастицы, инкапсулированные в органические или неорганические материалы, такие как хитозан, коллаген или желатин, продемонстрировали хорошую противовирусную активность с пролонгированным эффектом благодаря медленному высвобождению ионов. 

Была разработана экологически чистая композитная система AgNPs в хитозановой матрице, продемонстрировав, что противовирусный эффект на IFVA зависел только от присутствия AgNPs. Количество и размер AgNPs влияли на противовирусную активность композитной системы, которая увеличивалась с более высокой концентрацией и меньшими размерами AgNPs, тогда как хитозановая матрица не проявляла никаких противовирусных эффектов. С одной стороны, матрица из хитозана может ослаблять или препятствовать прямому контакту вируса с наночастицами. С другой стороны, поскольку матрикс представляет собой дополнительное физическое повреждение, вирионы прикрепляются к композитному материалу и предотвращается взаимодействие с клетками-хозяевами.

Elechiguerra et al. изучали эффект функционализации поверхности AgNPs против ВИЧ. Помимо рассмотрения влияния размера AgNP, целью этой работы была оценка анти-ВИЧ-эффекта AgNP, сравнивая три различных подхода: AgNP, инкапсулированные в вспененную углеродную матрицу в качестве композитного материала, AgNP, покрытые поли (N-винил-2-пирролидоном) (PVP) и AgNP, модифицированные бычьим сывороточным альбумином (BSA) в качестве функционализации поверхности. Наночастицы, функционализированные BSA и покрытые PVP, показали более низкую эффективность ингибирования по сравнению с наночастицами, встроенными в углеродную матрицу. Фактически, первые две системы модифицировали поверхности AgNP с точки зрения химических и морфологических свойств соответственно. Наночастицы находились в прямом контакте с покрывающим агентом, а не с вирусом, в то время как наночастицы, высвобожденные из углеродной матрицы из-за их слабого взаимодействия, обнажили свободную поверхность и вступили в прямой контакт с вирусом. Это подтвердило, что наличие покрытия или функционализации поверхности на AgNPs может влиять на взаимодействие с вирусами. Другая система, состоящая из водного коллоидного раствора AgNPs, покрытых меркаптоэтансульфонатной группой (Ag–MES), была протестирована для предотвращения репликации HSV-1 . Учитывая низкую концентрацию вируса, инфицированные клетки, обработанные системой Ag-MES, не показали никаких морфологических изменений, тогда как инфицированные и необработанные клетки показали увеличение диаметра бляшки HSV-1. С другой стороны, более высокая концентрация вируса вызывает образование небольших бляшек на клетках, обработанных Ag–MES, и полное разрушение необработанного клеточного монослоя. Те же результаты были получены для HSV-2. Это позволило предположить, что система Ag–MES действовала как ингибитор, поскольку эмулировала клеточные рецепторы, такие как гепарансульфат (HS), индуцируя связывание вируса с AgNPs. Эти наночастицы применялись в тесте на ингибирование ВПГ-1, но потенциально они могут быть использованы для противодействия другим вирусам, поскольку функциональные группы, присутствующие на поверхности наночастиц, и различные базовые материалы могут привлекать и ингибировать различные типы вирусов.

Мы могли бы сделать вывод, что возможно повысить противовирусную активность наночастиц серебра в зависимости от элемента или системы, используемой для их функционализации. Если модифицирующий подход обладает внутренним противовирусным эффектом, как в случае с дубильной кислотой [24,44], синергетический эффект AgNPs и агента-модификатора может напрямую повысить противовирусную активность системы. В других случаях присутствие второго элемента или матрицы, хотя и не являющихся по своей сути противовирусными, может придавать системе особые характеристики, которые приводят к усилению ее противовирусного эффекта. Рассматривая случай наночастиц Ag–MES, MES сам по себе был неэффективен в ингибировании ВПГ-1, но при использовании в качестве функционализации он продемонстрировал способность имитировать клеточные группы HS, способствуя взаимодействию между вирусом и модифицированными AgNPs и ингибируя репликацию вируса . То же самое касается системы хитозановая матрица / AgNPs: хитозан сам по себе не является противовирусным средством, но при использовании в качестве матрицы для наночастиц он представляет собой физическое повреждение вирусов, следовательно, усиливая эффект наночастиц . Что касается выбора используемой системы, необходимо рассмотреть и протестировать влияние молекул-предшественников и побочных продуктов на безопасность человека или животных или на окружающую среду, в зависимости от применения.

Влияние формы AgNP на противовирусную активность

Еще одной особенностью, влияющей на противовирусную активность AgNPs, является форма наноматериала. В целом, в области вирусологии наноматериалы серебра производятся сферической или квазисферической формы, но возможно получение наноматериалов, таких как нанопроволоки или наностержни. В данном случае, помимо влияния размера, интересно оценить зависимость противовирусного эффекта от формы. Это было исследовано Xiaonan et al., которые сравнили AgNPs размером менее 20 нм и нанопроволоки Ag диаметром 60 нм и 400 нм, продемонстрировав значительную противовирусную активность в отношении вируса трансмиссивного гастроэнтерита (TGV), в отличие от коллоидов Ag, которые не показали никакого эффекта. Это можно объяснить, учитывая, что коллоиды серебра обязательно диспергировали в поливинилпирролидоне (ПВП) для синтеза и диспергирования и прямого связывания с ним, избегая таким образом прямого контакта серебра с клетками или вирусами. Кроме того, при одинаковых концентрациях AgNP и нанопроволок наилучшее снижение титра вируса достигается при использовании мельчайших частиц, что подчеркивает важность формы и размера наночастиц.

Доступные исследования в основном проводились на сферических наночастицах, в то время как влияние различных форм, таких как нанопроволоки, глубоко не изучалось. Вероятно, это зависит от доказательств того, что сферические наночастицы имеют высокое отношение площади поверхности к объему, которые играют решающую роль в противовирусном эффекте, поскольку облегчают взаимодействие между наночастицами и вирусами. Однако было бы интересно детально исследовать, могут ли другие формы наноматериалов взаимодействовать с вирусами и ингибировать их репликацию, и если да, то каким образом, чтобы иметь альтернативу наночастицам серебра для противовирусного применения.

 Области применения AgNP

Наночастицы серебра считаются интересными материалами из-за их большой универсальности, которая позволяет использовать их в различных областях применения, от биомедицины до электронной промышленности и сельского хозяйства.

Рисунок 2 

представляет собой краткое изложение различных методов синтеза AgNP, их эффектов и возможных областей применения.