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.

Как упоминалось ранее, в центре внимания этого обзора будут противовирусные эффекты AgNP и их применение в этой области.

Поскольку антибактериальные свойства серебра известны уже много лет, было разработано множество коммерческих продуктов, использующих эту особенность, от домашнего текстиля  до нижнего белья  и антибактериальных красок. 

Напротив, самое последнее открытие о противовирусной активности серебра еще не позволило разработать множество продуктов. Только в связи с недавней пандемией COVID-19 на рынок были выпущены некоторые продукты, такие как маски или спреи для поверхностей с использованием AgNP и других элементов или технологий, для противодействия эпидемии SARS-CoV-2; например, маска для лица FFP2. Однако противовирусные AGNP могут быть использованы при разработке продуктов и устройств в других областях с высоким риском вирусной инфекции. 

В этом обзоре мы выделили и описали основные потенциальные области применения противовирусных AGNP в здравоохранении с точки зрения потенциального терапевтического применения, ветеринарного применения, применения в системах очистки воды и фильтрации воздуха, упаковки пищевых продуктов и текстильной промышленности (Рисунок 3).

Применение в секторе здравоохранения человека

Учитывая возможности применения в здравоохранении человека, AGNP могут быть использованы для лечения и профилактики нескольких вирусных заболеваний. Тем не менее, несмотря на их противовирусную активность в отношении многочисленных вирусов, большинство исследований относятся к результатам in vitro, и они все еще далеки от разработки эффективного терапевтического препарата для человека. Под термином “Потенциальное терапевтическое применение” сообщаем только об исследованиях, которые достигли первого этапа анализа in vivo. Необходимы дальнейшие исследования для анализа  и открытия пути к разработке новых противовирусных препаратов.

С другой стороны, профилактика вирусной инфекции является важной особенностью, которую следует учитывать, и применение AGNP в этой области достигло интересных и перспективных результатов.

Коммерческий продукт под названием ArgovitTM продемонстрировал дозозависимое снижение инфекционности RVFV . Недавно та же система была протестирована против SARS-CoV-2 у людей. Альманза-Рейес и др. протестировали эффект жидкости для полоскания рта и носа с использованием ArgovitТМ на группе из 231 участника, включая мужчин и женщин, в возрасте от 18 до 65 лет и с разными профессиями, случайным образом разделенных на две группы. Первая группа, названная экспериментальной, использовала спрей, содержащий раствор AgNP, смешанный с водой, для полоскания горла три раза в день и промывания носа, в то время как вторая группа, названная контрольной, использовала обычную жидкость для полоскания носа и полоскание для полоскания рта. Результаты показали, что в экспериментальной группе количество инфекций SARS-CoV-2 было ниже, чем в контрольной группе. Таким образом, авторы подчеркнули важность гигиены полости рта и носа для снижения риска заражения SARS-CoV-2 у медицинского персонала, который контактирует с пациентами с диагнозом COVID-19.

Кроме того, поскольку некоторые вирусы могут передаваться непрямым путем через загрязненные поверхности, необходима разработка самоочищающихся или противовирусных поверхностей. Ян Ходек и др. протестированы in vitro защитные гибридные покрытия AgNP, полученные золь-гель методом, против вирусов ВИЧ-1, DENV, HSV-1, IFVA и COXB3 (оболочечных и необолочечных, РНК- и ДНК-вирусов). Покрытия, нанесенные на такие подложки, как стекло и Поли (метилметакрилат) (PMMA), снижали инфекционность всех вышеупомянутых вирусов, за исключением COXB3. Этот селективный эффект может быть обусловлен различным составом вирусных капсидов и внешних мембран и вытекающими из этого механизмами взаимодействия AGNP с вирусами. Авторы показали, что система обладает вирулицидной активностью в отношении различных вирусов, находящихся в оболочке, что позволяет предположить, что это гибридное покрытие, которое ранее было продемонстрировано как активное в отношении некоторых штаммов бактерий, потенциально может обеспечить антимикробную защиту поверхностей и материалов в медицинских учреждениях. 

Другое предварительное исследование привлекло внимание к применению презервативов с покрытием AgNP для профилактики заболеваний, передающихся половым путем. Обычные презервативы обычно представляют собой физический барьер для заболеваний, передающихся половым путем, но в данном случае они обладают внутренней способностью инактивировать некоторые вирусы, бактерии и грибки. Поскольку AgNPs продемонстрировали выраженный противовирусный эффект в отношении ВИЧ, ВПГ-1 и ВПГ-2, Фаяз и др. разработаны полиуретановые презервативы с покрытием AgNP путем погружения в водный раствор серебра. Презервативы, покрытые AgNP, со стабильными наночастицами (не удаляемыми при промывании водой), подвергались непосредственному воздействию этих вирусов, демонстрируя значительное и зависящее от времени снижение вирусной инфекционности. Полиуретановые презервативы с AgNP-покрытием могут непосредственно инактивировать вирусные частицы и могут улучшить защиту, обеспечиваемую обычными презервативами как важным продуктом первой линии против инфекций, передаваемых половым путем.

В контексте профилактики вирусных заболеваний и защиты от них обсуждение также может быть распространено на системы индивидуальной защиты (СИЗ). В последнее время распространение SARS-CoV-2, которое привело к пандемии COVID-19, привело к расширению использования индивидуальных систем защиты, как рекомендовано Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ). Традиционные системы СИЗ не обладают собственной противовирусной активностью, но гарантируют хорошую временную защиту. Многие маски, легированные AgNP или покрытые им, были коммерциализированы со специфическим противовирусным эффектом. Композитное покрытие, состоящее из нанокластеров серебра в матрице кремнезема, было нанесено совместным распылением по запатентованному процессу на маску для лица типа FFP3. Покрытие смогло эффективно снизить титр вируса SARS-CoV-2 in vitro до нуля через 1 час 30 минут инкубации. Хирургические маски также были легированы AgNPs путем погружения в водный раствор, содержащий наночастицы, полученные электрохимическим методом. Учитывая решающую роль масок для лица в период пандемии, важным аспектом, который необходимо учитывать, является изменение их фильтрующих характеристик. Действительно, были оценены различные факторы качества, показавшие, что наличие противовирусного покрытия на системе воздушного фильтра не влияет на качество фильтрации. Это решение продемонстрировало эффективную инактивацию IFVA, другого потенциального пандемического вируса, что предполагает возможное применение в будущем в респираторных устройствах и клинических текстильных материалах.

 Ветеринарное применение AGNP

Другой потенциальной областью применения AgNP является здоровье животных, поскольку многие вирусы поражают животных, вызывая высокую заболеваемость и смертность. Это имеет последствия для экономики и жизни человека, поскольку многие источники средств к существованию, такие как яйца, молоко, мясо, клетчатка и другие пищевые продукты, являются производными животного происхождения. Насколько нам известно, существует лишь несколько исследований, изучающих потенциальное использование AgNP в качестве противовирусных средств у животных. Тем не менее, мы хотели бы подчеркнуть, что эти исследования, а также исследования противовирусных AgNP для людей были выполнены in vitro, применение которых является лишь гипотезой и все еще далеко от реальности. В качестве примера AGNP были протестированы против вируса чумы мелких жвачных (PPRV), вируса, очень заразного для мелких жвачных. Вакцина против этого вируса оказывается неэффективной и недостаточной для предотвращения заражения животных и предотвращения серьезных экономических потерь, которые она вызывает. Было продемонстрировано, что AgNPs действуют путем изменения проникновения PPRV в клетки-хозяева in vitro в нетоксичной концентрации, и они предположили, что использование AgNPs может быть исследовано в качестве новой противовирусной терапии против этого вируса.

Вирус инфекционной бурсальной болезни (IBDV) является еще одним примером вируса, поражающего животных, в основном на птицефабриках, и который может передаваться при прямом контакте или через воду или загрязненные удобрения. В последнее время внимание было приковано к вирусу, поражающему в основном собак: вирусу собачьей чумы (CDV). Хотя вакцины доступны, собаки не защищены на всю жизнь. Автор исследования протестировали лечение раствором AgNPs (6%) и PVP (94%) в количествах, зависящих от веса собаки, на собаках, пораженных CDV, с неврологической и неврологической инфекцией. Других собак лечили традиционными методами и рассматривали в качестве контрольных. Автор показал, что лечение AgNPs дало хорошие результаты в случае неврологических инфекций и не было вредным для собаки, в то время как все контрольные собаки погибли. По этим причинам, а также учитывая низкую стоимость и простоту обращения, авторы предположили, что раствор AgNP и PVP может быть использован в качестве альтернативного терапевтического метода против CDV.

В последние несколько лет сектор аквакультуры переживал кризис из-за увеличения числа случаев заражения вирусом синдрома белого пятна (WSSV), который является высокоинфекционным и заразен для креветок. Как сообщалось в недавних обзорах, несколько групп исследователей протестировали AgNP, включая систему Argovit, против WSSV и других патогенов, поражающих креветок при внутримышечных инъекциях или пероральном введении, обнаружив, что AgNP являются многообещающей системой для лечения и профилактики заболеваний, поражающих морские фермы, с последующими потерями в экономической сфере.

Недавно Всемирная организация охраны здоровья животных включила Ньюкаслскую вирусную болезнь (НЗЗ) в категорию наиболее серьезных заболеваний, которые могут серьезно повлиять на несколько видов домашних и диких птиц с последствиями для птицеводства. Две разные группы исследователей сосредоточились на этой теме с целью получения наночастиц серебра из натуральных растений и водорослей, которые способны ингибировать вирус NVD. Мехмуд и др. протестировано in vitro и in ovo действие AgNP, полученных из Syzygium aromaticum. Полученные AgNP могут быть использованы в качестве альтернативного метода лечения вирусных инфекций в концентрации, позволяющей проявлять противовирусную активность без эффекта цитотоксичности.

 Применение AgNP в системах фильтрации воды и воздуха

 Очистка воды

Обработка воды с точки зрения очистки и фильтрации имеет фундаментальное значение для получения прозрачной питьевой воды. Присутствие вирусов, таких как аденовирус, ротавирус, норовирус и гепатит А, было задокументировано как в поверхностных водах, так и в подземных источниках . Традиционными процедурами обеззараживания воды являются хлор, который приводит к образованию вредных побочных продуктов дезинфекции в дополнение к неприятному запаху или вкусу, и ультрафиолетовые методы, которые неэффективны в отношении некоторых типов вирусов, таких как аденовирус , даже если они не образуют побочных продуктов . Альтернативный подход может быть представлен использованием AgNPs в сочетании с другими специфическими материалами, создавая системы с повышенным противовирусным эффектом, без изменения физических и химических свойств воды и ограничения выброса NPS в окружающую среду.

Механизм можно объяснить, учитывая, что серебро способствует разделению зарядов, вызывая увеличение выработки АФК, и что вирус связывается с вновь образующимися радикалами HO. 

Этот тип применения потенциально оказывает огромное влияние на здоровье человека в глобальном масштабе, поскольку позволяет получать чистую и обеззараженную воду с помощью систем, которые не загрязняют окружающую среду.

 Системы фильтрации воздуха

Многие микробные агенты, такие как вирусы, бактерии и грибки, могут длительное время оставаться в воздухе и передаваться восприимчивому хозяину при вдыхании. Влажность в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) и накопление пыли создают благоприятную среду для размножения бактерий и грибков. Кроме того, современные высокоэффективные сажевые воздушные фильтры (HEPA) ограничивают только передачу вирусов и бактерий, полностью не подавляя размножение бактерий и грибков или инактивируя вирусы, присутствующие на поверхности или в пористой структуре фильтра. Это потенциальный риск для здоровья человека, поскольку возможным следствием может стать ухудшение качества воздуха и рост респираторных заболеваний. Разработка многослойного фильтра с различной степенью пористости могла бы стать эффективной стратегией, если нанопористая мембрана загружена AgNPs. В данном случае сочетание антимикробных свойств AgNP и нанопористости, полученной за счет нановолокон, увеличивает возможность захвата и инактивации микроорганизмов при превосходной очистке воздуха.

Инновационное композитное покрытие уже протестированно на одноразовых масках. Было нанесено на воздушные фильтры из металла и стекловолокна для оценки противовирусной активности в отношении трех переносимых воздушно-капельным путем вирусов: риновируса (HRV), вируса гриппа A (IFVA) и респираторно-синцитиального вируса (RSV). Это запатентованное покрытие, состоящее из кремнеземной матрицы, в которую встроены нанокластеры серебра, было нанесено методом совместного распыления. Основными преимуществами этого тонкого слоя являются постепенное и контролируемое высвобождение ионов серебра без рассеивания наночастиц в окружающую среду благодаря кремнеземной матрице; способность адаптироваться к любому материалу, включая гибкие или термочувствительные подложки; и “зеленый” метод совместного распыления, используемый для нанесения, который легко масштабируется в промышленности. 

Аналогичным образом, воздушный фильтр с частицами кремнезема, покрытыми AgNP, был изучен против аэрозольных бактериофагов MS2 и IFVA с учетом условий непрерывного воздушного потока. Схематическое сравнение двух систем представлено на рисунке 4.

Эта система имела ряд преимуществ, таких как возможность избежать явлений агрегации и сбора частиц после использования, а также эффективность производственного процесса без опасного воздействия на здоровье человека и окружающую среду.

Этот тип применения оказывает важное влияние на повседневную жизнь: можно получить экологичную систему, способную контролировать и улучшать качество воздуха, уделяя большое внимание окружающей среде внутри помещений, чтобы снизить риск респираторных заболеваний человека.

 Применение AgNP в пищевой промышленности

AgNP обычно используются в пищевой промышленности путем встраивания в полимерные матрицы для создания пленок или контейнеров для пищевых продуктов, чтобы избежать загрязнения бактериями и грибками. Однако некоторые вирусы, такие как норовирус человека (HNV), HRoV и HAV, также могут передаваться фекально–оральным путем, таким образом, распространяясь через пищу и зараженных паразитов. Для противодействия этой проблеме была разработана полимерная пленка из поли (3-гидроксибутирата-со-3 мол.%-3-гидрокивалерата) (PHBV3) с электрошлифовальным покрытием, содержащим AgNPs, для упаковки пищевых продуктов. Композитная Ag/ полимерная пленка продемонстрировала противовирусную активность, возрастающую пропорционально количеству Ag, в отношении FCV и MNV, и использовалась в качестве прогностической модели вирусных патогенов человека.

Несмотря на эти предварительные исследования, использование AGNP в пищевой промышленности должно тщательно оцениваться в каждом конкретном случае. На самом деле, необходимо оценивать любое вредное воздействие на человека, поскольку накопление наночастиц и высвобождение ионов Ag могут повредить печень, селезенку, почки и легкие, а также иммунную систему. 

 Применение AgNP в текстильной промышленности

После недавней пандемии основной спрос на противовирусные ткани всегда был в сфере здравоохранения, где пациенты и работники подвергаются высокому риску заражения вирусами . Текстильные изделия, обычно используемые в больницах и клиниках или при непосредственном контакте с пациентами, такие как ткани для перевязок и средства индивидуальной защиты (СИЗ), могут быть средством передачи некоторых устойчивых вирусов. В качестве примера, недавняя публикация указывает, что SARS-CoV-2 может сохраняться в присутствии почвенной нагрузки до 21 дня на экспериментально инокулированных СИЗ, включая материалы фильтрующих лицевых респираторов (маски N-95 и N-100) и пластиковых козырьков. Другие основные области применения противовирусного текстиля связаны с местами массового скопления людей и окружающей средой с определенным риском перекрестного заражения, такими как общественный транспорт, классы детских садов и государственные учреждения. 

Более того, в контексте пандемии COVID-19 многие компании, занимающиеся текстильной модой, в частности в Италии, решили инвестировать в разработку текстильных изделий, обладающих противовирусной защитой наряду с антибактериальной активностью, для удовлетворения потребительского спроса. В частности, итальянская компания, специализирующаяся на высококачественных тканях для рубашек, разработала новую технологию под названием ViroFormulaТМ, идеально подходящую для производства рубашек, пиджаков и брюк, а также масок, халатов и любой другой одежды. Эта технология была разработана на основе технологии вироблоков, разработанной швейцарской компанией HeiQ. Компания Viroblock разработала систему для придания тканям антимикробных и противовирусных свойств, использующую синергическое действие AgNPs и фосфолипидных пузырьков, которая разрушает оболочку вируса, связываясь с вирусом и предотвращая его репликацию. Эта система использовалась для производства защитных масок, матрасов, подушек и нетканого медицинского белья. Ее эффективность была протестирована против различных типов вирусов гриппа и осталась неизменной после 30 стирок при температуре 60 °C. Кроме того, он был протестирован против SARS-CoV-2, показав снижение титра вируса на 99,99% .

В целом, основные процедуры придания противовирусных свойств текстильным материалам с помощью AgNP включают добавление противовирусного агента непосредственно в раствор полимера в процессе прядения или с помощью финишного метода в качестве пропитки конечного продукта.

 Примечания об ограничениях AgNP

Важным аспектом, который следует учитывать в отношении металлических наночастиц, является их потенциальная токсичность и воздействие, которое они могут оказывать на здоровье человека и окружающую среду. Полное описание токсических эффектов AgNP выходит за рамки данного обзора. Вкратце, наночастицы могут оказывать цитотоксическое действие на клетки животных, а при пероральном или ингаляционном введении они могут накапливаться в различных органах, таких как печень, легкие, селезенка и почки.

Серебро в ионной форме, вероятно, более токсично, чем в форме наночастиц, но это различие может отражать их разную биокинетику. Однако AgNP и ионы имеют схожую картину токсичности, вероятно, отражающую, что эффект AgNP в первую очередь опосредован высвобождающимися ионам. Несколько исследований, касающихся токсичности серебра для клеток человека, выявили различные последствия, такие как усиление воспалительных реакций  и иммунотоксичность. Токсические эффекты зависят от времени воздействия, дозы, размера наночастиц, формы и наличия поверхностного покрытия.

С другой стороны, воздействие AGNP на окружающую среду зависит от способа их высвобождения. Фактически, AGNP могут вступать в реакцию с хлоридами, сульфидами и другими веществами, изменяя исходные свойства. Тем не менее, серебро в его твердом состоянии можно выбрасывать на свалки, сжигать при термической обработке или выбрасывать в сточные воды. Поэтому важно найти способ извлечения наночастиц экологически безопасным способом; например, используя магнитные свойства гибридного коллоида AgNP–magnetic, чтобы легко собирать наночастицы после их использования. В целях защиты окружающей среды предпочтителен биосинтез наночастиц экологически чистыми, а не химическими методами, чтобы избежать использования химикатов и связанного с ними образования отходов, которые необходимо утилизировать. В частности, производство AGNP на основе растительных экстрактов было простым и экономически эффективным и позволило получать экологически чистые и стабильные противовирусные средства в качестве альтернативных методов терапии вирусных заболеваний.

 Выводы и перспективы на будущее

Из представленного анализа самой последней литературы мы можем сделать вывод, что AGNP должны обладать точными характеристиками, чтобы лучше проявлять свое противовирусное действие.

При рассмотрении сферических наночастиц, которые являются наиболее изученными, первым важным параметром является размер. В частности, мы показали, что при небольшом размере, обычно около 10 нм, противовирусный эффект сильнее, в то время как увеличение диаметра приводит к снижению противовирусной эффективности. 

Вторым фактором является концентрация наночастиц в системе: более высокая концентрация AgNPs приводит к более сильному эффекту. Размер и концентрация тесно связаны друг с другом, поскольку чрезмерное количество серебра может вызвать проблемы с токсичностью. Другим аспектом, который может повлиять на свойства AgNP, является функционализация или присутствие AgNP в композитных материалах. В этих случаях противовирусный эффект можно усилить за счет использования химических агентов или покрытий, которые сами по себе являются противовирусными; если материал сам по себе не обладает противовирусным действием, наличие матрицы может, однако, представлять собой физическое препятствие для взаимодействия вируса с клеткой-хозяином. Кроме того, определенные типы функционализации могут имитировать клеточные рецепторы, способствуя взаимодействию между функционализированными AgNPs и вирусами и предотвращая связывание вируса с клетками. Наконец, время воздействия также может влиять на противовирусную активность системы.

В конце этого обзора мы также можем сделать вывод, что, благодаря их противовирусной активности широкого спектра действия, AgNP потенциально могут быть задействованы в различных областях. Действительно, были проведены многочисленные исследования для разработки новых противовирусных подходов к профилактике и лечению вирусных заболеваний. Тем не менее, несколько устройств на основе AgNP действительно были выпущены на рынок, таких как маски для лица или одежда, в то время как другие системы, в частности те, которые используются для лечения инфекционных заболеваний, являются лишь прототипами, которые в основном изучаются в лабораториях. В частности, мы обнаружили, что AGNP обладают большим потенциалом в области противовирусных материалов благодаря своему вирулицидному механизму действия, который, как следствие, является наиболее представленным. Применение AgNP в системах очистки воды и воздуха, а также в текстильной промышленности является наиболее перспективным и потенциально может оказать сильное влияние на качество жизни. В частности, в период, характеризующийся распространением SARS-CoV-2, разработка противовирусного оборудования, которое может очищать воздух или повышать эффективность хирургических масок, могла бы стать стратегическим методом возвращения к нормальной жизни. Кроме того, качество жизни можно улучшить за счет применения систем на основе AgNP в предметах повседневного использования; например, в упаковке пищевых продуктов или текстиле. Эти новые технологии также могут найти применение в будущем против новых вирусов с пандемическим потенциалом или против хорошо известных вирусов, которые трудно контролировать.

В заключение следует провести дальнейшие исследования для уточнения механизмов действия AGNP, повышения их противовирусной эффективности и выявления методов, позволяющих модулировать и конкретно направлять их противовирусную активность при применении AgNP в различных устройствах. Кроме того, дальнейшие усилия также должны быть сосредоточены на воздействии, которое наночастицы серебра оказывают на окружающую среду и, в частности, на производство отходов. Было бы интересно найти простой и безопасный способ сбора наночастиц серебра после использования или, в качестве альтернативы, утилизировать устройства и использовать их в других приложениях, снижая производственные затраты.

Полная версия статьи https://www.mdpi.com/2076-2607/11/3/629#fig_body_display_microorganisms-11-00629-f002

Ключевые слова: 

серебро; наночастицы серебра; противовирусное; противовирусный механизм; ; промыленное использование наносеребра, наносеребро в лечении животных, наносеребро, наносеребро  в очистке воды. Наносеребро в очистке воздуха, наносеребро в медицине, наносеребро в промышленности, антибактериальные свойства серебра, провивовирусное оборудование, наносеребро при лечении ковида, наносеребро и вич, наносеребро в лечении гипатита, наносеребро исследования,провивирусное лечение