银纳米颗粒与HIV-1的相互作用

纳米粒子与生物分子和微生物的相互作用是一个不断扩大的研究领域。在这一领域中，金属纳米颗粒与病毒的相互作用是一个很大程度上尚未被探索的领域。在这项工作中，我们证明了银纳米颗粒与HIV-1之间的相互作用依赖于大小，仅在1-10纳米范围内的纳米颗粒附着在病毒上。所附纳米颗粒的规则空间排列、纳米颗粒之间的中心距以及暴露的糖蛋白节的含硫残基将是纳米颗粒相互作用的吸引位点这一事实表明，银纳米颗粒通过优先结合gp120糖蛋白节与HIV-1病毒相互作用。由于这种相互作用，银纳米颗粒抑制了病毒与宿主细胞的结合，这在体外已经证明。

纳米技术提供了通过控制材料尺寸来设计材料特性的能力，这推动了对纳米材料众多潜在用途的研究[1］．在生物科学中，金属纳米颗粒的许多应用正在探索中，包括生物传感器[2]，细胞和生物分子的标签[3.]，以及癌症治疗[4］．

研究表明，在贵金属纳米晶体的情况下，其电磁、光学和催化性能受到形状和尺寸的高度影响[5- - - - - -7］．这推动了合成路线的发展，使其能够更好地控制形态和大小[8- - - - - -13］．贵金属纳米材料的合成方法多种多样，包括硬模板[14], bio-reduction [9]和溶相合成[8，10- - - - - -13］．

在贵金属纳米材料中，银纳米颗粒因其优异的理化性能而备受关注。单个银纳米颗粒的表面等离子体共振和大的有效散射截面使其成为分子标记的理想对象[15]，其中可以利用表面增强拉曼散射(SERS)等现象。此外，众所周知，银以各种化学形式对大量微生物具有强毒性[16- - - - - -18]，而银纳米颗粒最近被证明是一种有前途的抗菌材料[19］．

基于这些原因，并基于我们之前关于贵金属纳米颗粒与生物分子相互作用的工作[20.，我们决定研究银纳米颗粒与病毒的相互作用。在此，我们提出了我们研究的第一个发现，银纳米颗粒与HIV-1发生大小依赖的相互作用。

所测银纳米颗粒制剂的表征

纳米粒子的理化性质在很大程度上取决于它们与覆盖剂分子的相互作用[21］．事实上，纳米粒子的表面化学可以改变它们与外部系统的相互作用。因此，我们用三种明显不同的表面化学物质测试银纳米颗粒:泡沫碳、聚(n -乙烯基-2-吡咯烷酮)(PVP)和牛血清白蛋白(BSA)。

泡沫碳包覆纳米颗粒来自Nanotechnologies, Inc.，未经进一步处理即可使用。这些纳米颗粒被嵌入泡沫碳基质中，以防止合成过程中的聚结。接收的纳米颗粒样品由细小的黑色粉末组成。为了本研究的目的，用超声波将收到的粉末分散在去离子水中。TEM分析表明，纳米颗粒倾向于在泡沫碳基质中团聚，尽管有很大一部分粒子是通过超声波浴提供的能量从基质中释放出来的(图1)1 a-1f)．这些释放的纳米颗粒主要是自由表面的纳米颗粒，观察到只有从泡沫碳基质中逃脱的纳米颗粒才会与HIV-1细胞相互作用。

纳米粒子与泡沫碳基质的相互作用非常弱，以至于仅仅通过压缩TEM电子束，即使是那些最初没有被超声波释放的纳米粒子也会从泡沫碳团聚体中喷射出来。事实上，通过这个实验，可以更好的观察到这些纳米粒子的完整尺寸分布，请参考额外的文件:1．高分辨率透射电镜(TEM)显示，超声从泡沫碳基质中释放出的银纳米颗粒尺寸分布为16.19±8.68 nm(图1)2 a - b)．在电子束的作用下将剩余的纳米粒子从泡沫碳基质中释放，平均粒径为~21±18 nm。此外，TEM检查表明，样品由多种形貌组成，包括具有五重对称的多孪晶纳米颗粒，即十面体和二十面体、截断金字塔、八面体和立方面体纳米颗粒等1 c-1f)．

以甘油为还原剂和溶剂，用多元醇法合成了聚乙烯包覆纳米颗粒。在此方法中，金属前体在PVP等覆盖剂的存在下溶解在液体多元醇中[22］．PVP是一种线性聚合物，通过与吡咯烷酮环结合稳定纳米颗粒表面。红外(IR)和x射线光电子能谱(XPS)研究表明，吡咯烷酮环的氧原子和氮原子都能促进PVP链在银表面的吸附[23］．从高角度环形暗场(HAADF)图像中获得了样本量分布。纳米粒子的平均粒径为6.53 nm，标准偏差为2.41 nm。(图2 d e）

在水溶液中合成了直接与牛血清白蛋白分子结合的银纳米颗粒。血清白蛋白是一种球状蛋白，是血浆中含量最多的蛋白质。牛血清白蛋白(BSA)是由583个氨基酸残基组成的单一多肽链[24］．牛血清白蛋白的一些残基含有硫、氧和氮基团，这些基团可以稳定纳米颗粒的表面。与银的最强相互作用可能涉及35硫醇半胱氨酸残基。通过使用硼氢化钠(一种强还原剂)，牛血清蛋白通过直接与这些含硫醇的半胱氨酸残基结合稳定纳米颗粒，并由于蛋白质的体积而提供空间保护。样本大小分布由HAADF图像获得。近75%的bsa共轭银纳米颗粒的直径为2.08±0.42 nm，但也观察到大量较大的颗粒，使总平均为3.12±2.00 nm(图1)2 g-h)．

紫外可见光谱学是表征纳米银结构的一种有价值的工具。众所周知，金属纳米粒子的光学吸收光谱由表面等离子体共振(SPR)主导，随着粒子尺寸的增大，SPR向较长的波长转移[25］．此外，人们普遍认识到银纳米颗粒的吸光度主要取决于尺寸和形状[26，27］．一般来说，随着纳米粒子对称性的增加，SPR峰的数量减少[27］．最近，舒尔茨和同事们[28]将单个银纳米颗粒的吸收光谱与TEM测定的尺寸(40-120 nm)和形状(球体、十面体、三角形截断金字塔和血小板)相关联。他们发现球形和大致球形的纳米粒子，十面体或五边形的纳米粒子，三角形截断金字塔和血小板分别吸收光谱的蓝色、绿色和红色部分。在所有情况下，SPR峰值波长随着尺寸的增大而增大，正如预期的那样。

所有纳米粒子制剂的紫外可见光谱如图所示2．所有样品在~320 nm处都有一个最小值，对应于银的介电函数的实部和虚部几乎消失的波长[27］．碳包覆纳米银样品在~400、~490、~560和~680 nm处有4个峰，如图所示2摄氏度．该样品的光学特征可以通过TEM观察到的尺寸和形状的分布更好地理解。正如我们前面提到的，样品中形状分布广泛，大量的纳米颗粒不是球形的，如五重对称的多孪晶。具有五边形和三角形截面的纳米粒子的存在可能是波长较长的吸收的原因。由此可见，这些纳米颗粒的特征吸收来自于不同形状和大小的贡献，这与TEM观测结果一致。

另一方面，pvp包覆和bsa包覆的银纳米颗粒分别在~450和~390 nm处只有一个峰。这些结果表明，两种制剂主要由球形银纳米颗粒组成。众所周知，对于小粒子，等离子体激元吸收带的扩大是预期的，因为半最大值处的全宽度(FWHM)与粒子直径的倒数呈线性相关[29］．包覆bsa纳米粒子的结果与上一种说法一致，在~390 nm处只有一个宽的对称峰。另一方面，聚乙烯包覆银纳米粒子的光谱在最大吸收波长附近是不对称的。事实上，这个光谱可以用两条不同的曲线进行反卷积，一条以~430 nm为中心，另一条以~520 nm为中心。在约430 nm处的峰值可以被认为是银纳米粒子的面外偶极共振，表明存在直径较小的球形粒子。此外，在PVP存在的情况下，用多元醇法合成银纳米粒子也促进了多孪晶纳米粒子(MTPs)的形成，是最热力学稳定的多孪晶纳米粒子[23］．因此，观察到的读数偏移是纳米颗粒尺寸增大和具有五边形截面的十面体纳米颗粒存在的结果。

与hiv - 1

利用高角环形暗场扫描透射电镜研究了银纳米颗粒与HIV-1的相互作用。在我们之前的工作中，HAADF已被证明是一种强大的生物样本分析技术，如蛋白质[20.)和细菌(30.]，与无机纳米颗粒界面。HAADF图像主要由经过卢瑟福后向散射的电子形成。因此，图像对比度与原子数的差异有关[31强度随~Z变化²．因此，图像对比度与构图密切相关。作为一个很好的近似，较轻的元素呈现黑暗，较重的元素呈现明亮。由于原子数的巨大差异，银纳米颗粒很容易与构成病毒的有机物区分开来。

在图3.我们展示了HIV-1病毒的HAADF图像，有(3a)和不含(3b)银纳米颗粒。要了解完整的实验细节，请参阅方法部分。银的存在是由能量色散x射线能谱(EDS)独立确认的，如图所示3 c．有趣的是，与病毒结合的纳米颗粒的大小(图3 d)仅在1-10 nm范围内。就从碳基质中释放的银纳米颗粒而言，没有观察到直径大于10纳米的纳米颗粒与病毒相互作用，这一事实意义重大，因为约40%的总体规模超出了这一范围。这为相互作用的大小依赖性提供了有力的证据。

此外，纳米颗粒如图所示3不是随机附着在病毒上的，因为三个粒子组之间观察到有规律的空间关系。纳米颗粒的空间排列和相互作用的大小依赖都可以从HIV-1病毒包膜的角度解释，并可以深入了解病毒和纳米颗粒之间的相互作用模式。

HIV-1病毒的外部由脂膜组成，脂膜上点缀着突出的糖蛋白结节，由由两个亚基组成的三聚体构成:gp120表面糖蛋白亚基暴露在外部，gp41跨膜糖蛋白亚基跨越病毒膜，并将外部gp120糖蛋白与内部p17基质蛋白连接[32］．这些突出的gp120糖蛋白旋钮的主要功能是与宿主细胞上的CD4受体位点结合。许多细胞蛋白质也嵌入在病毒包膜内[33］．然而，突出的gp120糖蛋白钮更多地暴露在外部，应该更容易接触到潜在的纳米粒子相互作用。

伦纳德和同事(34]报道了gp120亚基有9个二硫键，其中3个位于CD4结合域附近。这些暴露的二硫键将是纳米粒子与病毒相互作用的最具吸引力的位点。如前所述，图中的纳米颗粒1似乎位于特定的位置，在三个粒子组之间观察到有规则的空间关系。观察到的空间排列与Nermut和同事提出的HIV-1结构模型中gp120糖蛋白钮的位置相关[32］．

在未经处理的病毒表面也发现了规则的空间关系，如图的插图所示1 b．在这些部位观察到的较暗的对比可能表明糖蛋白旋钮的位置。如前所述，HAADF图像的对比度强烈依赖于原子数的差异。然而，这并不是决定图像对比度的唯一因素。如果材料是由原子序数相似的元素组成的，就像纯病毒的有机成分一样，样品密度的局部变化将提供明显的对比。病毒包膜的大部分由致密的脂质膜组成。然而，对于糖蛋白结节，由于存在跨膜的gp41糖蛋白而不是密集填充的脂质，我们预计会有一个低密度的局部区域。因此，这些区域应该比病毒包膜的其他部分看起来更黑。

此前已确定糖蛋白节之间的中心到中心间距为~22 nm[35］．在插图中3，测得的银纳米颗粒之间的平均中心间距为~28 nm，这与糖蛋白节之间的预期间距有关。未经处理的病毒上较暗的小区域之间的平均中心间距约为22纳米，这再次表明这些位点是gp120糖蛋白节。因此，观察到的纳米颗粒的空间排列、纳米颗粒之间的中心距以及暴露的糖蛋白节的含硫残基将是纳米颗粒相互作用的吸引位点这一事实，强烈表明银纳米颗粒通过优先结合gp120糖蛋白节与HIV-1病毒相互作用。

假设最具吸引力的相互作用位点是gp120糖蛋白节的含硫残基，那么一个纳米粒子只能形成有限数量的键。这种数量有限的稳定位点可以解释为什么没有观察到较大的纳米颗粒附着在病毒上。假设每个纳米粒子与单个糖蛋白旋钮相互作用，并且每个最近的旋钮被另一个纳米粒子所占据，从几何上考虑，这些纳米粒子的理论直径上限将是~ 20nm。然而，如果一个纳米颗粒的直径大于一个旋钮(~ 14nm [35)，只有一小部分的纳米颗粒表面将被固定，导致不稳定的相互作用。因此，如果纳米颗粒通过gp120糖蛋白节的优先结合与HIV-1相互作用，我们预计会发现大多数直径小于14纳米的纳米颗粒，因为在这个尺寸范围内的颗粒具有最稳定的表面相互作用。这与我们在实验中观察到的大于10纳米的粒子没有附着在病毒包膜上的情况非常吻合。

尽管艾滋病毒感染宿主细胞的机制尚未完全了解，但有两个步骤被广泛认为是至关重要的。第一步是gp120与宿主细胞上的CD4受体位点结合。然后，在与CD4结合后，诱导gp120发生构象变化，从而暴露出趋化因子受体(即CCR5或CXCR4)的新结合位点[36- - - - - -38］．一种优先与gp120糖蛋白相互作用的药剂将阻止病毒与宿主细胞结合。因此，我们在体外测定了银纳米颗粒对HIV-1的抑制作用。

通过对CD4+ MT-2细胞和cMAGI HIV-1报告细胞的测试，确定银纳米颗粒抑制HIV-1感染的能力。要了解完整的实验细节，请参阅方法部分。通过光学显微镜对合胞体形成的评估分析了CD4+ MT-2感染的细胞病变效应，如别处所述[39，40]，以及使用蓝色细胞试验检测HIV-1感染cMAGI细胞[41，42］．所有纳米颗粒制剂对MT-2细胞的细胞毒性用台盼蓝排除试验测定[43］．对于所有三种纳米颗粒制剂，当银浓度高于25 μg/mL时，病毒传染性降低到无法通过合胞体形成检测到的程度，如图所示4．对于每一种纳米颗粒制剂，我们都发现了具有IC的HIV-1传染性的剂量依赖性抑制₅₀只观察到中度细胞毒性，如图所示4．

虽然表面化学性质明显不同的纳米颗粒与HIV-1相互作用的结果是一致的，但毒性和抑制结果并不相同。观察到的HIV-1抑制趋势的差异可以用用于每种纳米颗粒制备的封盖剂来解释。BSA和pvp保护的纳米颗粒表现出较低的抑制作用，因为纳米颗粒表面直接与封盖剂结合并被封盖剂包裹。相比之下，从碳基质中释放的银纳米颗粒由于其基本自由表面积而具有更大的抑制作用。事实上，碳包覆纳米颗粒表现出更高的细胞毒性也可以从表面化学的角度来解释。由于大量的这些银纳米颗粒具有几乎自由的表面，它们能够与宿主细胞发生更强的相互作用，从而增加它们的毒性。显然，封盖剂的选择对于未来纳米颗粒与病毒、微生物和更复杂生物系统相互作用的研究至关重要，还有许多变量需要进一步测试，包括纳米颗粒存在的长期影响，前体分子和反应副产物的痕迹的影响。

总之，我们发现银纳米颗粒与HIV-1之间的相互作用依赖于大小，并且结合的粒子表现出规则的空间关系。这些观察结果使我们认为纳米颗粒优先与病毒包膜糖蛋白的gp120亚基结合。银纳米颗粒在体外抑制HIV-1病毒的感染性，这也支持了我们关于与gp120优先相互作用的建议。这些发现只是为我们提出的相互作用模式提供了间接证据，我们目前正在进行测试，以确定gp120和银纳米颗粒之间是否存在直接结合。

无机纳米粒子与生物系统的相互作用刚刚开始被了解，潜在的应用正在被发现的速度越来越快。然而，为了实现纳米科学的未来前景，必须充分探讨接触纳米材料的毒性和长期健康影响。纳米颗粒制备方法的灵活性，功能化技术的多样性，以及纳米颗粒在各种介质中容易结合的特点，为进一步研究金属纳米颗粒与病毒的相互作用提供了动力。

a) HIV-1株和细胞系

hiv - 1_希望HIV-1 X4野生型(wt)病毒实验室毒株通过NIH NIAID艾滋病司艾滋病研究和参考试剂项目获得。CD4+ MT-2细胞系来自美国型培养集。cMAGI HIV-1报告细胞是匹兹堡大学Phalguni Gupta博士慷慨的礼物。所有使用的其他试剂都是可用的最高质量试剂。

cMAGI细胞在DMEM Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) (1X)无磷酸钠和丙酮酸钠培养液中培养。培养基中含有4500 mg/L d -葡萄糖和L-谷氨酰胺(Invitrogen, Paisley, UK)， 10%胎牛血清(FCS)， 0.2 mg/mL基因素(G418)， 0.1 μg/mL嘌呤霉素。MT-2细胞在含10%胎牛血清(FCS)和抗生素的RPMI 1640培养基中培养。

hiv - 1_希望原代临床分离株经MT-2和cMAGI细胞传代繁殖。hiv - 1_希望根据《艾滋病病毒实验室DAIDS病毒学手册》，1997年版，由国家过敏和传染病研究所艾滋病司和国家卫生研究所以及合作者编写。用无细胞培养病毒上清液的等分物作为病毒接种物。

除透射电镜分析外，所有与HIV-1细胞相关的工作都在生物安全3级(BSL-3)实验室完成。

b)三种不同纳米银制剂的合成

本研究测试的碳包覆银纳米颗粒来自Nanotechnologies, Inc.，未经进一步处理就使用。有关这些纳米粒子合成的更多信息，请访问http://www.nanoscale.com

以甘油为还原剂和溶剂，用多元醇法合成了聚乙烯包覆纳米银。硫酸银(Ag)₂所以₄聚(n -乙烯基-2-吡咯烷酮)(PVP-K30, MW = 40,000)购自Sigma Aldrich, 1,2,3-丙三醇(甘油，>99%)购自Fischer Chemicals，所有材料均未经进一步处理使用。简单地说，我们在圆底瓶中加入0.2 g PVP，然后加入30 mL甘油。一旦PVP溶解，我们将温度提高到140°C。30分钟后，加入2毫升0.015 M Ag₂所以₄静置反应1小时。

银纳米颗粒直接结合牛血清白蛋白(BSA)蛋白分子产生如下所述。硝酸银(AgNO_3.， 0.945 M)，硼氢化钠(NaBH .₄99%)和200证明分光光度级乙醇从奥尔德里奇购买。牛血清白蛋白(BSA)从Fisher公司购买，未经进一步处理就使用。简单地说，将硼氢化钠加入到硝酸银和牛血清白蛋白的水溶液中，在剧烈搅拌下。Ag的摩尔比⁺:BSA为28:1,Ag⁺: BH4^-是1:1。反应体积为40 mL, BSA含量为13.50 μmol。反应1 h， -5℃沉淀纯化产物，然后冷乙醇过滤。

c)不同纳米银制剂的表征

透射电子显微镜采用HRTEM JEOL 2010F显微镜，配有肖特基型场发射枪、超高分辨率极片(Cs = 0.5 mm)、扫描透射电子显微镜(STEM)单元和高角度环形暗场(HAADF)检测器，工作电压为200 kV。简单地说，将每一种不同的银纳米颗粒溶液的液滴放在带莱西碳膜(Ted Pella)的铜网格上，并让其蒸发。通过TEM分析获得了每个纳米颗粒制剂的尺寸分布，基于400个颗粒的测量，在bsa包被纳米颗粒的情况下获得了600个颗粒。

紫外可见光谱是在室温下使用Cary 5000光谱仪中的10毫米程长石英试管获得的。所有溶液在去离子水中稀释30 ×后获得光谱。

d) HIV-1和银纳米颗粒的电镜观察

制备的样品进行电镜观察如下⁵TCID₅₀hiv - 1的样本_希望用浓度为100 μg/mL的不同银纳米颗粒溶液处理脱细胞病毒。30秒后，将10 μL的液滴沉积在碳涂层镍TEM栅上，暴露于2.5%的PBS/戊二醛蒸气溶液中30分钟。显微镜使用配备牛津EDS装置的JEOL 2010-F TEM完成，加速电压为200 kV，使用HAADF检测器在扫描模式下操作。

e)银纳米颗粒对HIV-1的抑制作用

只使用或含有不同浓度银纳米颗粒的RPMI培养基与样品混合⁵TCID₅₀hiv - 1的_希望细胞病毒免费。银纳米颗粒的最高浓度为100 μg/mL。30秒后，将稀释2倍的溶液依次加入培养的靶细胞(2 × 10⁵MT-2和2 × 10⁵cMAGI HIV-1报告细胞具有0.2-0.5 HIV-1感染的多重性(m.i.)_希望病毒)按照前面提到的方法准备。每种稀释剂暴露在四个重复井中。之后，细胞被培养在5%的CO中₂37°C加湿培养箱3-5天。对MT-2细胞进行HIV-1介导的合胞体形成的评估，而对cMAGI细胞，传播的百分比估计如下:从每个测试孔的上清中获得的蓝色染色细胞的数量除以阳性对照孔中从培养上清中获得的蓝色染色细胞的数量。

f)银纳米颗粒对MT-2细胞的细胞毒性

纳米颗粒制剂对MT-2细胞的细胞毒性用台盼蓝排除试验测定。在所有病例中，银纳米颗粒的初始浓度为50 μg/mL，依次进行两倍稀释，并与2 × 10混合⁵MT-2细胞。样品在37°C孵育，细胞暴露于银纳米颗粒3小时和24小时后通过光学显微镜进行评估。简单地，用0.4%台盼蓝稀释细胞悬液1:1 (v/v)，用血细胞计计数。活力用未染色处理的细胞数占细胞总数的百分比表示。

作者要感谢纳米技术公司提供的银纳米颗粒。J. L. Elechiguerra, J. R. Morones和A. camachoo - bragado感谢CONACYT- México提供的支持。j·l·伯特感谢德克萨斯大学奥斯汀工程学院和罗伯特·l·米切尔先生通过推力2000罗伯特·l·和简·g·米切尔工程捐赠研究生奖学金提供的财政支持。本材料基于国家科学基金研究生研究奖学金(JLB)支持的工作。

作者指出

1. 米格尔何塞Yacaman

   现住址:美国德克萨斯州奥斯汀市德州大学德州材料研究所，美国德克萨斯州奥斯汀市，78712

作者和联系

1. 德克萨斯大学奥斯汀分校化学工程系，美国德克萨斯州奥斯汀78712

   Jose Luis Elechiguerra, Justin L Burt, Jose R Morones & Miguel Jose Yacaman

2. 德克萨斯大学奥斯汀分校德克萨斯材料研究所，美国德克萨斯州奥斯汀78712

   亚历杭德拉·卡马乔-布拉加多&高晓霞

3. 科学学院Biológicas，新大学Autónoma de Nuevo León，圣Nicolás de los Garza，新evo León，墨西哥

   温贝托H劳拉

相应的作者

对应到米格尔何塞Yacaman．

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