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抗菌新發明–各式金屬奈米粒子生醫應用

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陳威宇｜臺灣大學動物學研究所

抗生素的發現、演進與使用是人類醫療史最重要的成就之一，佛萊明(Alexander Fleming)先生於1928年發現青黴素(Penicillin)，就此奠定了醫藥的基石。而青黴素驚人的療效，也使得有機分子抗生素研究，蔚為風潮。許多抗生素孕育而生，例如氯黴素、新黴素、四環素與萬古黴素等。現今臨床所使用的抗生素多達一百五十種，而這些抗生素多半由微生物培養液提煉純化，或藉由全合成或半合成的方式所製得而成。也因為這些抗生素的發展，讓我們可以免於各式各樣細菌感染的威脅。但細菌也如同達爾文的物競天擇論般地演變，當前抗藥性的感染症，是我們人類要面對的頭號敵人。根據歐盟統計，每年因多重抗藥性細菌感染所引起的死亡人數約在兩萬五千人，其相關醫療費用高達十五億歐元。如此難題，迫使科學家積極尋找新型的抗生素，來解決當前無藥可用的窘境。

金屬奈米粒子作為新型抗生素可行嗎?

奈米科學結合生物相關領域，一直是近年來蓬勃發展的新興研究方向。特別是金屬奈米粒子，在生物醫藥應用上，深具前景。例如可發展成生物奈米感測器、影像分析技術和奈米藥物載體等。金屬奈米粒子作為抗生素，係利用奈米粒子的高比表面積，提供更多的原子於材料表面，進而與細菌接觸，達到抗菌效果。現今奈米材料依然在臨床實驗階段，在本文筆者介紹以材料性質區分為兩大區塊，分為(1)金屬奈米粒子與(2)功能性金屬奈米粒子作為抗菌材料。金屬奈米粒子合成與製備，一般是利用化學氣相沉積法、溶膠凝膠法、水熱合成法、沉澱法與氧化還原法等，所製得而成，得到的奈米粒子粒徑約數十至十奈米左右。金屬奈米粒子中常見作為抗菌材料的是銀奈米粒子與氧化鋅奈米粒子。銀奈米粒子在溶液中會釋放銀離子，與帶負電荷之細菌細胞壁產生電荷不平均之靜電作用力，使得細胞壁穿破，並進一步與細菌蛋白質上的硫醇基結合，使細菌蛋白質變性，造成細菌無法代謝與繁殖，最後凋亡。氧化鋅奈米粒子，會釋放鋅離子，造成電荷不平均，使得細菌外層結構破壞。作用機制與銀奈米粒子不相同之處，在於氧化鋅奈米粒子，易產生活性自由基，造成細胞遺傳物質與蛋白質遭到破壞，達到抗菌功效。這類的金屬奈米粒子因為其毒性較高，所以應用方面限於醫療材料，例如牙材、傷口敷料與醫藥紡織物，有助於抵禦細菌感染與傷口癒合。

抗菌新利器-功能性金屬奈米粒子

2015文獻報導銀奈米粒子表面修飾抗菌胜肽，其抗菌功效除了銀奈米粒子以外，抗菌胜肽的協同作用將是抗菌新利器，進而達到藥量小，效果增倍的功能。胜肽利用共價鍵與銀奈米粒子進行緊密結合。抗菌胜肽為長度大約是由十至八十個不等的胺基酸所組成，它的作用主要就是幫助金屬奈米粒子滲透細菌之細胞膜、穿孔、干擾細菌增殖與促進傷口癒合等功能。尤其修飾後的抗菌胜肽金屬奈米粒子相較於單純抗菌胜肽，具有與細菌較高的結合能力，高結合能力可能取決於奈米材料本身的特性。而功能性金屬奈米粒子，更具抗菌破壞力，複合材料使得細菌表面的菌毛受到斷裂，進而干擾細菌增殖與攝取營養。另外因細胞壁與細胞膜也遭到破壞，及銀奈米粒子釋放銀離子干擾代謝，這些多重功效，使得複合材料藥量更少，所以副作用也會變小。

未來展望

科學家最新的抗菌研究，乃朝向更安全的金屬奈米粒子為目標前進。2015研究指出，相對於銀奈米粒子，金奈米粒子具有更穩定、更易修飾且證實為低生物毒性。金奈米粒子可製備於五奈米的尺度以下，在尺寸效應下，容易穿越細菌膜厚，並搭載上述抗菌胜肽以及小分子配體，形成多功能複合金奈米粒子。此類型的奈米材料，證實在感染抗藥性金黃色葡萄球菌(methicillin-resistant S. aureus)的傷口下，以多功能複合金奈米粒子作為抗生素藥劑，可以殺死感染性細菌，並加速感染傷口癒合，進而達到具有抗菌且安全性高之奈米藥物的目標前進。（感謝科技部補助「新媒體科普傳播：健康醫藥新媒體科普傳播實作計畫III， MOST 104-2515-S-214-001」。）

責任編輯：林永昇
審校：王英基、黃耿祥

抗生素(19) 金黃色葡萄球菌(1)

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