综述：来自微生物的智能药物纳米颗粒及其药物输送系统

《Next Nanotechnology》：Smart drug nanoparticles from microbes and their drug delivery

　　文卡特斯瓦拉·雷迪·康达金迪（Venkateswar Reddy Kondakindi）、兰吉特·帕巴蒂（Ranjit Pabbati）、雷努卡·萨蒂亚·斯里·纳拉姆（Renuka Satya Sree Nalam）、格纳纳·迪普·P（Gnana Deepu P）、哈里哈拉·乔吉佩塔（Harihara Jogipeta）、纳加·拉朱·马德拉（Naga Raju Maddela）、拉姆·普拉萨德（Ram Prasad）

摘要：微生物合成纳米粒子（NPs）作为一种可持续且生物驱动的替代传统物理化学方法的方式，正吸引越来越多的关注。细菌、真菌和藻类等微生物通过酶促和代谢物介导的途径还原金属离子并稳定生成的纳米粒子，从而能够生产出具有独特物理化学和生物特性的纳米结构。本文重点介绍了微生物衍生纳米粒子（MNPs）的合成机制，并强调了其在药物递送、抗菌治疗和诊断系统中的潜在应用。这种生物合成方法不仅成本效益高且对环境友好，还能实现纳米粒子表面的功能化，从而提高其稳定性和生物相容性，优于化学合成的纳米粒子。此外，微生物方法还提供了对纳米粒子形态、尺寸和表面电荷进行可控修饰的机会——这些都是影响治疗效果的关键参数。然而，要实现一致的生产和临床应用，仍需解决可扩展性、产量优化和机制标准化等挑战。最近，分子遗传学、生物信息学和纳米工程工具的结合使用，加深了我们对微生物代谢途径及其在纳米粒子合成中作用的理解。展望未来，涉及微生物学、纳米技术和生物医学科学的多学科合作对于将微生物纳米粒子研究从实验室研究转化为实际应用和工业生产至关重要，这将支持新一代安全、可持续的纳米材料的发展。

1. 引言
传染病始终是全球公共卫生的关注焦点，因为它们会导致数百万人死亡。然而，20世纪出现了一个意想不到的奇迹——抗生素的发现大大减少了死亡人数。然而，由于环境、社会以及微生物自身的进化，抗菌素耐药性问题也随之产生。为应对细菌的抗菌素耐药性，人们开发了新的抗生素组合和化学改性方法，但这些进展并未消除新的传染病风险；相反，低剂量抗生素的使用反而引发了严重的抗菌素耐药相关健康问题。面对这一不断演变的全球性威胁，迫切需要更高效且持久的解决方案。应用“纳米技术”处理纳米级颗粒是解决这一动态传染病模式的有效方法之一[1]。纳米生物技术结合了科学和技术，利用来自生物来源的成分，并结合不同的生物化学和生物物理方法，无需依赖常用的有害化学物质即可生成纳米粒子[2]。通过物理和化学方法合成纳米粒子存在一些局限性，而利用微生物的替代方法可以解决这些问题。此外，生物生成方法还能合成安全、环保的纳米粒子。此外，人们还在利用病毒来制备纳米粒子[3]。纳米粒子被描述为具有纳米级结构的坚固颗粒。纳米粒子最重要的特征是其平坦性和表面积与体积比，这使它们能够与其他颗粒相互作用。近年来，通过利用微生物，纳米粒子在尺寸、形态和特性方面得到了定制。这些生物合成的纳米粒子具有广泛的应用前景，包括靶向药物递送、组织再生生物材料、生物传感器、癌症治疗和磁共振成像（MRI）等。纳米技术和纳米科学在制药和航天领域的强大影响力，在当今科技时代引起了极大兴趣[2][3]。

随着纳米科学和纳米技术的出现，药物递送领域经历了发展范式的转变[4]。纳米粒子的合成因其在生物医学领域的进步而受到广泛关注，这些进步通过避免多重耐药性并实现高效药物递送提高了治疗效果。药物递送系统对人类医疗保健产生了重大影响，清楚地展示了医学科学的进步。二十多年来，药物递送系统已有效治疗了多种疾病。在药物递送中，纳米结构颗粒为调整药物的内在性质（如溶解度、释放和溶解性）提供了极大的灵活性[5]。

微生物被认为是地球上适应性最强、最有用的生物，能够执行许多有益的功能。微生物细胞利用金属离子作为蛋白质和代谢酶的辅因子，以确保其精确的功能。微生物衍生的纳米粒子（以下简称MNPs）作为纳米生物医学领域的一个动态分支，其起源在于上述的生物矿化过程。来自微生物的金属纳米粒子因其优异的结果和广泛的生物技术和制药应用而受到关注。可持续合成纳米粒子的目标是最小化制造过程中有毒物质的使用[6]。这些生物生成的纳米材料产品属于“绿色化学”的范畴，注重对自然环境的低负面影响。目前的研究趋势是利用微生物或其蛋白质、酶或多糖来制备环保型纳米粒子。纳米粒子的合成通常通过三种方式进行：（i）干法纳米技术，从无机材料合成；（ii）湿法纳米技术，在液体介质中使用生物来源；（iii）计算纳米技术，涉及纳米粒子研究的建模和模拟[7]。

纳米材料可以改善药物递送，引导疫苗进入受感染细胞并引发免疫反应，同时增强细胞的吸收、通透性和效率[8]。利用纳米粒子将其递送到目标部位是一种高效且有效的策略。纳米粒子的长循环寿命及其到达目标疾病部位的能力，使得基于纳米粒子的药物变得安全且易于耐受[9]。用于将药物递送到目标部位的纳米粒子有多种名称，如纳米载体、纳米球、纳米载体、纳米构造等，形式包括聚合物胶束、脂质体、固体颗粒和乳液。六十多年的药物递送系统现已发展为基于纳米的技术。第一代药物递送系统（1950-1970年代）主要用于经皮和口服给药，口服给药的效果持续12小时，经皮给药的效果持续一周。而第二代药物递送系统（1980-2010年代）在开发实用的临床系统方面并不成功，尽管引入了葡萄糖依赖型胰岛素系统，但由于难以制造出具有可控葡萄糖感应和胰岛素释放功能的封闭植入系统而未能取得成功。21世纪，纳米技术的兴起带来了具有比微米级材料更优异特性的纳米级材料[10]（见图1）。尽管纳米技术在药物递送方面有许多优势，但仍需解决可扩展性、成本影响、监管批准和潜在毒性等问题，需要通过减少监管障碍和增加研究资金来解决[11]。已有大量文章描述了从微生物中合成金属纳米粒子（MtNPs）及其应用，但关于使用纳米粒子进行药物递送的研究却很少。本文首先简要介绍了纳米粒子的分类、合成和应用，然后转向下一个主题——作为智能药物的MNPs。

2. 纳米粒子
纳米技术研究的对象是尺寸在1纳米到100纳米之间的纳米粒子，具有独特的颗粒结构。该技术专注于纳米粒子的合成和尺寸修饰。从块状结构到纳米尺度的转变改变了其物理化学性质，从而应用于各种领域[5][15]。纳米粒子通常由三层组成：中心核心、中间壳层和表面层。在纳米粒子的外层，表面层与表面活性剂、金属离子和聚合物相互作用[16][17][18]。

2.1 纳米粒子的分类
根据物理和化学属性，纳米粒子可分为有机纳米粒子、无机纳米粒子、碳基纳米粒子、陶瓷纳米粒子、磁性纳米粒子和半导体纳米粒子，也可根据尺寸进行分类。

2.1.1 有机纳米粒子
胶束、铁蛋白、脂质体和树状大分子属于有机纳米粒子，以其无害性和可生物降解性而著称。因此，在药物递送中，有机纳米粒子通常是首选，因为在正常情况下药物难以到达目标部位[19]。有机纳米粒子包括聚合物纳米粒子、壳聚糖纳米粒子、海藻酸纳米粒子、聚乳酸和聚乙醇酸纳米粒子、脂质基纳米粒子、固态脂质纳米粒子、纳米结构脂质载体、碳水化合物纳米粒子、葡聚糖纳米粒子、环糊精纳米粒子、蛋白质纳米粒子、胶原蛋白纳米粒子、明胶纳米粒子、牛奶蛋白纳米粒子、酪蛋白纳米粒子、乳清蛋白基纳米粒子、植物蛋白基纳米粒子。下面将讨论其中一些纳米粒子。

2.1.2 无机纳米粒子
与有机纳米粒子相比，无机纳米粒子具有亲水性、生物相容性和稳定性，且不含碳。无机纳米粒子进一步分为金属纳米粒子和金属氧化物纳米粒子[17][18]。

2.1.2.1 金属纳米粒子
金属纳米粒子完全由金属前体合成，其特征是局部表面等离子体共振（LSPR），使其具有独特的光电性质。金（Au）、银（Ag）、铝（Al）、铁（Fe）、钴（Co）、铅（Pb）、镉（Cd）和铜（Cu）等金属纳米粒子尤为突出。其中，Ag、Cu和Au在电磁光谱的可见光区域显示出宽吸收带。AuNPs常用于扫描电子显微镜（SEM）中的样品涂层材料，以获得高质量图像。由于其独特性质，金属纳米粒子具有广泛的应用前景[16][18]，具体应用将在后续部分讨论。

2.1.2.2 金属氧化物纳米粒子
金属纳米粒子经过氧化处理成为金属氧化物纳米粒子，以增强其活性。二氧化硅、二氧化铈、氧化铝、氧化锌、氧化铁、磁铁矿和二氧化钛属于金属氧化物纳米粒子[17][18]。

2.1.3 碳基纳米粒子
碳基纳米粒子主要包括碳纳米管（CNTs）和富勒烯。碳纳米管是细长的结构，作为高效气体吸附剂、支撑介质和填料具有广泛应用，因为它们具有电子亲和力、导电性、强度和多功能性。富勒烯呈空心笼状结构，例如C60或C70由五边形和六边形碳单元组成。

2.1.4 陶瓷纳米粒子
陶瓷纳米粒子也称为非金属固体，通过连续冷却和加热合成，可以是多孔的、非晶态的、多晶的、中空的或致密的。它们广泛应用于催化、光催化、成像和染料光降解[16][17][18]。

2.1.5 磁性纳米粒子
磁性纳米粒子通常是金属纳米粒子，主要用于磁共振成像（MRI）中的造影剂、癌症治疗中的磁热疗法以及药物递送和生物传感，因为它们具有超强磁性[20]。

2.1.6 半导体纳米粒子
它们也称为量子点（QDs），具有尺寸依赖性的发光特性，常用于生物传感应用[21]。

2.1.7 基于尺寸的分类
根据纳米粒子的尺寸，可分为0维、1维、2维和3维纳米粒子[22]。表1展示了基于应用领域的纳米粒子分类。

表1. 纳米粒子的尺寸和性质

| 纳米粒子维度 | 关键性质 | 典型应用领域 |
| ------------ | -------- | ------------ |
| 0维（0D） | 球形或近似球形，高表面积，量子尺寸效应 | 药物递送、成像、催化 |
| 1维（1D） | 纳米棒、纳米线，各向异性形状，高长宽比 | 传感器、纳米电子学、光子学 |
| 2维（2D） | 薄膜、纳米片，高表面积与体积比 | 涂层、柔性电子学、能量存储 |
| 3维（3D） | 纳米结构框架，多孔性高 | 组织工程支架、催化 |

2.2 纳米粒子的合成
合成纳米粒子的方法有很多，主要分为两类：“自上而下合成”和“自下而上合成”（见图2a和2b）。**自上而下的合成**
在这类方法中，首先破坏 bulk 材料层之间的范德华力，然后将它们转化为纳米粒子（NPs）[17][18][23][24]。自上而下的合成包括多种方法，如下所述，并在图 2a 和图 2b 中进行了说明。
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图 2. 自上而下和自下而上的方法（a），以及参与纳米粒子合成的各种方法（b）。（该图由 BioRender 程序制作）

**热分解法** 是一种吸热过程，通过产生热量来引发化学分解，释放的热量会破坏 bulk 材料层中的化学键。
**球磨/机械法** 是最简单且成本最低的方法，通过研磨介质将动能传递给材料。
**光刻法** 是一种耗能的过程，使用乳胶球作为模板基质。
**激光烧蚀法** 通过将不同金属浸入适当溶液中，在激光束的作用下生成纳米粒子 [17][18]。
**溅射法** 是通过直接释放原子到目标表面并随后发生成核和积累来合成纳米粒子 [25]。
**电爆炸法** 利用高压电放电来合成高细度的纳米粒子 [15]。
**化学蚀刻法** 利用化学物质腐蚀材料，从而生成纳米粒子 [19]。

**2.2.2 自下而上的合成**
与自上而下的合成相反，这种方法具有建设性，通过原子积累来合成纳米粒子。共价或离子键合参与了自下而上的纳米粒子合成 [17][18][23]。自下而上的合成方法包括：
- **化学气相沉积（CVD）**：在反应室内通过反应生成坚硬、均匀、强韧且纯净的纳米粒子。
- **旋涂法**：通过旋转圆盘反应器，在受控温度下合成纳米粒子。
- **激光烧蚀法**：将不同金属浸入适当溶液中，在激光束的作用下生成纳米粒子 [17][18]。
- **溅射法**：通过原子直接撞击目标表面并随后发生成核和积累来合成纳米粒子 [25]。

**2.2.3 来自植物的纳米粒子**
多种植物种类可用于合成纳米粒子。植物的不同部位（如茎、叶、果实和根）都可以用于此过程。植物中的多种生物分子（包括辅酶、碳水化合物和蛋白质）有助于将金属盐转化为纳米粒子 [17][18]。尽管基于植物的纳米粒子合成方法因具有较大的表面积和生物活性成分而优于物理和化学方法，从而改善了药物递送、靶向性和控制释放，降低了副作用并提高了治疗效果 [27]，但这种方法也存在一些缺点：植物提取物不利于改进合成过程，且由于植物化学物质的存在，可能会在环境中产生多分散性。因此，在合成纳米粒子之前，必须考虑其污染特性、低检测限和环保性 [23]。为了获得无毒、可靠且环保的纳米粒子，生物方法优于其他方法 [26]。生物合成纳米粒子利用植物提取物和各种微生物 [23]。微生物和植物可作为生产环保且经济高效的金属氧化物纳米粒子的潜在工厂 [5]。

**2.3.3 来自微生物的纳米粒子**
多种植物可以用于合成纳米粒子。不同植物部位（如茎、叶、果实和根）均可用于此过程。植物中的多种生物分子有助于将金属盐转化为纳米粒子 [17][18]。尽管基于植物的纳米粒子合成方法具有优势，但由于植物化学物质的存在，可能会在环境中产生多分散性。为了提高纳米粒子的产量、金属积累能力和耐受性，研究人员正专注于植物基因工程 [3][5]。研究发现，从叶子、树皮和花朵提取物中制备的各种尺寸和形状的纳米粒子在降解环境污染物方面具有多种用途 [28]。
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图 3. 通过土壤和根部或作为纳米肥料的植物外部部分进入植物的金属纳米粒子及其在植物中的吸收、转运和潜在影响的示意图。（该图由 BioRender 程序制作）

**绿色和生物合成**
绿色和生物合成方法利用天然生物体和生物分子通过环境友好的反应将金属前体转化为稳定的纳米结构。与传统需要有毒还原剂、高压或高温的物理化学方法不同，生物系统在温和条件下使用酶和代谢物作为催化剂。同时，胞外多糖、肽和细胞外蛋白质作为天然封盖和稳定剂，控制颗粒大小并防止聚集。在植物中，黄酮类、萜类和酚类等植物化学物质起到还原和稳定作用。这些生物分子驱动的反应减少了能源消耗，消除了有害试剂，从而降低了纳米粒子合成的生态足迹。这种绿色方法的整合确保了更好的生物相容性、可重复性和可持续性，符合全球绿色化学原则 [17][18]。

**2.3.3 来自微生物的纳米粒子：合成及其应用**
通过微生物合成纳米粒子已成为一种更环保的替代方法。利用细菌、真菌、病毒、放线菌、藻类和酵母来生产纳米粒子。这种方法能够以低成本、低能耗的方式生产出具有特定形状、大小和特性的纳米粒子。这些微生物的另一个重要特点是它们可以作为模板，帮助将纳米粒子组装成特定结构。从微生物中生产纳米粒子属于自下而上的合成技术，反应主要是氧化/还原反应。环保纳米粒子的核心理念是“生物修复”，即将有毒污染物转化为安全化合物。因此，微生物可以将有毒金属或其他污染物转化为溶解度低、毒性小且移动性低的纳米粒子 [29]。图 4 展示了微生物纳米粒子制备、纯化和下游表征的工作流程，提供了整个生物过程的可视化概览。

**电子** 可以通过微生物的异化厌氧呼吸从还原的有机物质转移到氧化的无机物质，最终实现生物修复和纳米粒子的形成。细菌分泌的生物分子在纳米粒子生产中用作稳定介质和封盖物质。纳米粒子通常在微生物细胞内部或表面生成，其中金属离子被捕获，并在适宜酶的作用下进一步还原为纳米粒子。简单来说，金属离子与微生物之间的相互作用可以通过生物吸附（金属阳离子附着在微生物细胞壁上）或生物还原（金属阳离子在微生物酶的作用下被还原为稳定形式）来实现。这两种方式都能生成纳米粒子 [23]。但只有少数微生物能够吸收重金属并将其转化为毒性较低的物质，因为它们具有所需的代谢途径。生活在有毒金属环境中的微生物通常通过细胞内、细胞外和螯合等多种机制对这些金属具有抗性 [30]。此外，微生物还可以通过改变溶液组成（使其过饱和）或产生有机聚合物来影响矿物形成（抑制或促进矿物晶核的形成）[3]。因此，微生物为纳米粒子合成提供了理想的环境，同时具备快速生长、易于培养、适宜的 pH 值和最佳温度 [23]。

微生物合成纳米粒子的方式多种多样，包括生物积累、溶解度变化、金属络合、细胞外沉淀和螯合，以及利用亚硫酸盐还原酶、硝酸盐还原酶、谷胱甘肽和半胱氨酸脱氢酶等酶 [7]。金属纳米粒子（MtNPs）的合成主要依赖于醌类、还原酶、胞外多糖和蛋白质等机制。在纳米粒子合成过程中，电子通过 NADH、泛醌或超氧阴离子/氧气等氧化还原介质以及 C 类细胞色素与金属离子的直接相互作用进行转移。微生物酶（如硝酸盐还原酶、脱氢酶和亚硫酸盐还原酶）通过 NADH/NADPH 等辅因子介导电子转移，使金属离子还原为纳米级颗粒 [31]。微生物合成纳米粒子主要通过两种途径实现：细胞内合成和细胞外合成 [7]：
- **细胞内合成**：金属离子在微生物细胞内运输，细胞壁带负电荷，导致静电相互作用，细胞壁中的酶将金属离子还原为纳米粒子 [32]。
- **细胞外合成**：金属离子在微生物细胞表面被捕获，随后在细胞外空间通过非酶促吸附或酶的作用下还原为纳米粒子 [33]。

通过微生物合成的纳米粒子在环境、食品、医学和农业等领域有广泛的应用。微生物来源的纳米粒子在有效去除金属离子或染料方面表现出优异性能。它们已被开发用于观察人体代谢的诊断工具 [33]。在生物医学领域，纳米粒子作为抗菌剂、组织工程材料、抗癌剂和药物递送剂等具有多种应用 [3]。不同金属来源的纳米粒子具有不同的特性和用途，例如：

**2.3.1 银纳米粒子（AgNPs）**
银纳米粒子（AgNPs）自然存在于细菌细胞表面，通过生物吸附形成。在 Bacillus 物种的外周质中观察到 AgNPs 的存在 [2]。向 Bacillus licheniformis 中添加硝酸银可生成 50 nm 大小的 AgNPs [2]。使用金黄色葡萄球菌上清液也可合成 AgNPs [32]。乳酸菌也能合成 AgNPs [33]。AgNPs 因其出色的物理化学性质和在生物医学、电子学和催化传感领域的应用而受到广泛关注 [34]。AgNPs 具有强大的抗菌性能，可结合到微生物细胞壁上并进入细胞内部，最终通过活性氧（ROS）刺激破坏病原体细胞并改变信号传导 [30]。AgNPs 在抗癌和抗病毒治疗中也具有重要作用。此外，AgNPs 还可用于骨水泥、膜、骨折骨和水凝胶中，以防止生物膜形成，并促进伤口愈合、骨骼生长和牙龈修复。

**2.3.2 金纳米粒子（AuNPs）**
不同属的真菌（如 Verticillium sp.、Penicillium sp.、Candida albicans、Aspergillus sp.、Alternaria alternate 等）以及寄生在天竺葵上的真菌可在氯酸盐离子存在下合成棒状或棱柱状的 AuNPs [30]。革兰氏阴性细菌 Shenwalla 也能产生 7–17 nm 大小的球形 AuNPs [25]。乳酸菌 Kimchicus 也被用于 AuNPs 的生产 [33]。研究表明，AuNPs 对结肠癌细胞具有浓度依赖性的抑制作用。AuNPs 作为化疗药物的替代品，可减少多种副作用 [32]。由于其优异的生物相容性、物理化学性质和无毒特性，AuNPs 在药物递送中作为纳米载体发挥着重要作用。金纳米颗粒（AuNPs）被发现能够有效携带不同类型的药物，如肽、蛋白质、pDNA和siRNA [25]。此外，AuNPs还被用作生物传感器中的标记物以及用于治疗高热 [2]。2.4. 其他纳米颗粒：钯纳米颗粒（PdNPs）可以由Desulfovibrio desulfuricans在细胞内产生，钯纳米晶体会在细菌细胞壁上形成，这一过程需要甲酸的参与。Shewanella oneidensis则在细胞周质空间和细胞分裂处产生Pd纳米晶体 [2]。这些颗粒被用作多种有机反应的异相和均相催化剂，应用于药物递送、抗氧化剂、抗菌治疗以及纺织废水中的染料降解。铂纳米颗粒（PtNPs）可以通过多种细菌合成，例如Pseudomonas kunmingensis、Vibrio fischeri和Kocuria rosea [32]。它们被用于治疗生长和焦虑问题，同时也被用作构建记忆组件的组件 [2]。铜纳米颗粒（CuNPs）的尺寸为10–16纳米，可以由Shewanella loihica通过生物还原作用在细胞外合成。Penicillium chrysogenum也可以合成CuNPs。CuNPs具有光学、磁学、催化和电学特性，被应用于光催化、光电子学、传感器以及作为抗氧化剂、抗病毒剂、抗真菌剂和抗癌剂，并用于药物递送。二氧化钛纳米颗粒（TiO2 NPs）可以通过Aspergillus flavus合成，它们具有抗氧化和光催化性能，被用于牙膏、防晒产品、橡胶、纸张、水泥、油漆等 [32]。如表2所示，各种纳米颗粒可以通过不同类型的微生物合成，并展现出广泛的应用领域。表3提供了微生物合成与其他纳米颗粒制造方法比较评估的详细信息。与传统的物理化学方法相比，微生物合成在生态和功能上具有明显优势，这主要归因于其所需的化学投入较少，以及生物表面修饰带来的增强的稳定性和生物相容性。尽管如此，诸如可扩展性有限、批次间差异和颗粒均匀性不一致等挑战仍然是商业化的主要障碍。最近的研究 [42] 表明，将微生物合成与绿色化学还原相结合的混合方法可以显著提高纳米颗粒的产量、形态控制性和重复性。基于这些发现，未来的研究应致力于建立评估微生物系统的标准化基准，包括可持续性指标、毒性概况和经济可行性。此外，纳米颗粒合成与新兴的清洁能源和废物处理技术的融合正在开辟新的跨学科领域。最新文献 [47]、[48]、[49] 强调了纳米颗粒在氢气生成、催化转化和安全性提升方面的潜力。总体而言，这些协同发展突显了微生物平台在同时推进环境可持续性、绿色能源创新和生物医学应用方面的变革潜力。

表2. 不同微生物合成的纳米颗粒（NPs）及其应用。

| NPs | 微生物 | 尺寸（nm）/形状 | 来源/生产方式 | 应用 | 参考文献 |
|---------------|----------------|------------|------------------|---------------------------|
| Ag | Aeromonas sp. | 6.4 / 圆形 | 细胞外 | 抗菌和抗生物膜活性 | [2] |
| Alteromonas macleodii | 70 / 球形 | 外多糖 | 细胞内 | 合成生物相容性金属纳米颗粒 | [35] |
| Alcaligenes faecalis | 2–49 / 球形 | 细胞内 | 抗菌活性 | [36] |
| Aspergillus niger | 13–64 | 6.8 / 球形 | 细胞外 | 染料降解和抗真菌活性 | [3], [29] |
| Arthroderma fulvum | 15.5 / 球形 | 细胞滤液 | Aspergillus flavus | [3] |
| Aspergillus fumigatus | 5–25 / 球形 | 细胞外 | Bacillus methylotrophicus | [33] |
| Bacillus cellulolyticus | 11–25 / 球形 | 外多糖（EPS）/细胞外 | Bacillus krulwichiae | [30] |
| Bacillus licheniformis | 50 | 硝银 / 细胞外 | 抗真菌效果 | [30], [37] |
| Bacillus cereus | 4–5 / 球形 | 细胞内 | 抗菌特性 | [3] |
| Brevibacterium casei | 10–50 / 球形 | 细胞内外 | Brevundimonas diminuta | [3] |
| Bacillus brevis NCIM 253 | 1–68 / 球形 | 细胞外 | 抗多重耐药病原体的抗菌活性 | [24] |
| Cladosporium cladosporioides | 10–100 / 球形 | 硝银 / 细胞外 | [37] |
| Coriolus versicolor | 25–5 / 球形 | 细胞内外 | Colletotrichum sp. ALF | [29] |
| Chlorococcum humicola | 16 / 球形 | 细胞提取物 | Caulerpa racemosa | [3] |
| Cladosporium perangutum | 30–40 | 微生物细胞水提取物 | 抗癌和抗氧化 | [3] |
| Candida guilliermondii | 10–20 | 抗菌活性 | Candida glabrata | [2] |
| Chaetomorpha linum | 70–80 | 抗癌活性 | Chlorella ellipsoidea | [22] |
| Desmodesmus sp. | 10–30 | 双组分和颗粒化生物质 | 抗菌活性 | [33] |
| Enterobacteria | 52.5 | 硝银 / 细胞外 | [37] |
| Fusarium oxysporum | 5.24 / 球形 | 硝银/无细胞提取物 | [29] |
| Escherichia coli | 50–100 / 立方形/星形 | 细胞外 | Penicillium chrysogenum | [33] |
| Aspergillus flavus | 96.8 / 椭圆形 | 细胞外 | 抗真菌/抗菌/溶血活性 | [33] |
| Streptomyces griseus | 37–52 | 球形 | 抗真菌活性和抗氧化活性 | [38] |
| Verticillium sp. | 8–25 / 球形 | 细胞外 | Au | [26] |
| Actinobacter sp. | 5–50 | 细胞内 | 抗菌活性、纳米肥料和抗真菌 | [30] |
| Aspergillus foetidus | 30–50 | 活细胞滤液 | 对A549肺癌细胞系的细胞毒性效应 | [33] |
| Bacillus subtilis | 20–25 | 细胞外 | 亚甲蓝降解 | [30] |
| Candida albicans | 5 / 球形 | 无细胞提取物 | [29] |
| Candida guilliermondii | 50–70 | 抗菌活性 | 细胞外 | [3] |
| Enterococcus sp. | 6–13 | 上清液/细胞外 | 抗癌活性 | [33] |
| Melosira preicelanica | 20 / 圆柱形 | 生物硅 / 细胞外 | 分子分析用于安全性、生物和环境应用 | [3] |
| Penicillium funiculosum | 18–28 | 球形 | 生物膜细胞 / 细胞外 | 抗真菌活性 | [29] |
| Saccharomyces cerevisiae | 15 / 球形 | 细胞壁和细胞质 | [29] |
| Verticillium luteoalbum | 100 / 球形/六边形/三角形 | 四氯化氢 / 细胞内外 | [37] |
| Cu | Kocuria flava | 5–30 / 球形 | [39] |
| Lactobacillus casei | 30–75 | 细胞外 | 植物微量营养素 | [30] |
| Morganella sp. | 15–20 | 硫酸铜 / 细胞内 | [37] |
| Pseudomonas flurescens | 49 | 硫酸铜 / 细胞外 | Salmonella typhimurium | [40] |
| Shewanella oneidensis | 120–40 | 细胞 / 细胞内 | 废水中铜的生物吸附 | [33] |
| Stereum hirsutum | 5–20 | 球形 | 氯化铜 / 细胞外 | [37] |
| Streptomyces capillispiralis | 3.6–59 | 球形 | 抗菌活性 | [29] |
| TiO2 | Aspergillus flavus | 62–74 | 抗菌活性 | [3] |
| Bacillus subtilis | 10–30 | 水生生物膜上的光催化活性 | [37] |
| Lactobacillus crispatus | 70–114 / 椭圆形/球形 | 细胞外 | [37] |
| Lactobacillus sp. | 50–100 | 抗菌活性 | [3] |
| Planomicrobium sp. | 8.89 / 球形 | 细胞外 | [37] |
| Saccharomyces cerevisiae | 12 / 球形 | 细胞外 | [29] |
| Pd | Desulfovibrio desulfuricans | 50 / 球形 | 细胞外 | [26] |
| Shewanella oneidensis MR - 1 | 11–6.33 | 细胞/细胞外电子转移 | Cr去除 | [33] |
| Spirulina platensis | 10–20 | 吸附剂 | [3] |
| Cd | Candida albicans | 50–60 | 对金黄色葡萄球菌和伤寒沙门氏菌的杀菌活性 | [30] |
| Lactobacillus acidophilus PSMZ 2007 | 2.5–5.5 | 细胞外 | 纳米生物传感器 | [30] |
| M13 Bacteriophage | 560 × 20 | 量子点 | [29] |
| Pseudomonas aeroginosa | 4.5–6.5 | 球形 | [40] |
| Tobacco Mosaic Virus | 10–40 | 纳米管 | 表面修饰 | [29] |

表3. 微生物合成与其他纳米颗粒制造方法的比较评估。

**方法** | 原料/废物流 | 优点 | 缺点 | 参考文献 |
|----------------|----------------|------------------|------------------|---------------------------|
| **微生物合成** | 金属盐、生物废物、生物质滤液 | 环保、低能耗、天然包覆/稳定剂、生物相容性 | 低产量、可扩展性挑战、反应动力学慢 | [41], [42] |
| **植物介导的合成** | 叶子/果实提取物 | 可再生、快速、成本适中 | 因提取物成分不同而产生变异、机制控制有限 | [43] |
| **化学还原** | 金属盐 + 还原剂 | 高产量、可重复性 | 有毒试剂、环境危害 | [44] |
| **物理方法** | 蒸发、溅射、激光烧蚀 | 尺寸和纯度控制精确 | 成本高、非生物相容性 | [45] |
| **废物转化方法** | 工业废水、生物污泥 | 将废物转化为增值产品 | 需预处理、底物不均匀 | [41], [46] |

**3. 药物递送** | 药物递送是多种机制的结合，包括技术、配方和程序，用于将具有药用价值的化合物输送到体内以获得预期的治疗效果 [50]。为了对抗当前的传染病，已经发现了许多新型药物和技术。然而，传染病的传播仍然对全球健康构成挑战。传统的抗菌剂（如抗生素或化疗药物）通过杀死微生物或干扰其生长来发挥作用。这些药物在对抗由不同微生物引起的各种感染方面证明了其有效性。尽管它们是救命工具，但也存在局限性，包括安全性、耐受性、药物递送效率低、吸收不良、毒性以及多重耐药性的出现和非特异性药物分布 [1]。纳米颗粒可以保护药物免受降解，并实现向特定组织的靶向递送 [51]。使用纳米颗粒进行药物递送将大大改善药物递送效果，解决上述问题。此外，通过纳米颗粒参与药物递送，可以提高药物对靶细胞的亲和力、药物装载能力以及调节药物释放 [10]。作为药物载体，纳米颗粒应具备封装特定药物并将其递送到目标感染部位的能力。此外，纳米载体还应能够穿越细胞和血液-组织屏障，实现细胞内和细胞间的运输 [3]（见图7）。在治疗癌细胞时，纳米颗粒递送系统具有针对性，并利用肿瘤及其环境特性。纳米颗粒不仅解决了传统癌症治疗的限制，还控制了多重耐药性 [52]。

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**图7. 靶向药物递送的重要性（图像由BioRender程序制作）。**

**3.1. 基于纳米颗粒的药物递送相对于传统疗法的优势**
I. 在感染部位调节和持续释放药物，从而提高治疗效果。
II. 无需化学反应，药物可以直接整合到系统中。
III. 通过改变纳米颗粒的大小，可以简单定制药物释放及其降解曲线。
IV. 在目标部位以特定剂量提高药物的生物利用度，并保持长时间效果。
V. 向同一特定细胞递送多种药物，实现协同治疗。此外，基于纳米颗粒的药物递送还能提高药物的溶解度 [1]。
VI. 基于纳米颗粒的药物递送相比传统药物分布具有多种优势，包括增加的渗透性和保留效果、更高的稳定性和生物相容性以及精确的靶向性 [53]。

**3.2. 纳米颗粒的挑战和毒性**
纳米颗粒引起的毒性潜在机制及其缓解策略总结在图8中。纳米颗粒在医学领域具有巨大潜力，但其毒性是临床应用的关键限制。纳米颗粒的安全性取决于多个相互关联的因素，如大小、形状、表面电荷、浓度和在特定组织中的积累能力。这些参数决定了颗粒与细胞和器官（包括肝脏、肾脏、肺和大脑）的相互作用 [11], [16]。

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**图8. 纳米颗粒诱导毒性的机制和缓解策略**
纳米颗粒的毒性取决于其物理化学性质，如大小、表面电荷和稳定性，这些因素会影响活性氧（ROS）的形成和氧化应激。这些过程会导致线粒体功能障碍、细胞损伤和组织炎症。可生物降解的纳米载体、剂量优化和表面修饰对于减少毒性和提高临床安全性至关重要 [3], [11], [15], [16]。
主要的毒性来源是ROS的生成，它会导致氧化应激并损害细胞成分（如DNA、蛋白质和脂质）。这种应激会破坏线粒体、改变信号通路并引发炎症或细胞死亡 [15], [54]。金属和金属氧化物纳米颗粒（包括银和氧化锌）特别容易释放离子，加剧氧化反应。在组织修复和药物递送中，纳米颗粒可以改善愈合和生物活性分子的靶向释放。然而，在高剂量或稳定性较差的情况下，它们可能会干扰细胞-基质相互作用和免疫调节，延缓恢复或引发炎症 [3], [9]。因此，优先选择可生物降解和表面修饰的纳米载体，以减少长期积累并维持生理平衡。持续研究剂量优化、表面工程和生物降解性对于最小化毒性并确保基于纳米颗粒的疗法的安全临床应用至关重要。

**3.3. 基于纳米颗粒的药物递送系统**
基于纳米载体的药物递送系统专门用于递送化疗药物。这些纳米尺寸的原型能够高效地将活性药物递送到感染组织。使用纳米载体进行药物递送的主要目的是纳米颗粒（NPs）的药物释放和ζ电位特性可以很容易地进行调节。可以通过更换所需的配体与聚合物官能团来实现针对特定药物的药物递送[1]。3.3.1.4. 胶束和囊泡它们属于基于聚合物的两亲性物质。胶束这种纳米载体是由两亲性聚合物自组装形成的，具有疏水核心，能够包裹亲脂性药物；其亲水外壳则有助于维持水相与疏水核心之间的稳定相互作用，从而提高胶体稳定性。囊泡也被称为聚合物体，同样由两亲性聚合物构成，内部为水相，并具有双层结构[56]，如图9所示。下载：高分辨率图像（254KB）下载：全尺寸图像图9. 有机和无机纳米载体（该图由BioRender程序生成）。3.3.1.5. 树状大分子树状大分子是高度分支的三维结构，具有丰富的表面官能团。其结构包括三个部分：内部核心、中间层和外部层。树状大分子的合成方法有两种：发散式和收敛式。发散式合成从核心开始，通过偶联反应和活化步骤逐步扩展到外部；收敛式合成则从外围开始，逐渐向内部核心延伸。这种三维结构提供了巨大的表面积与体积比，从而增强了与微生物的相互作用能力。它们能够调节表面官能团，模拟细胞膜的特性，且多分散性是其作为药物载体的另一个优势。它们既可以包裹亲脂性药物，也可以包裹亲水性药物[1]。3.3.1.6. 无机纳米载体无机纳米载体具有独特的磁性和光学特性，因此在抗癌治疗中具有应用前景。此外，它们还具备荧光、拉曼增强和近红外吸收能力，适用于图像引导的治疗。源自金、氧化铁和二氧化硅的无机纳米颗粒已成为极其宝贵的构建模块[62]。它们由两部分组成：无机核心（由金、二氧化硅或量子点构成）和有机金属或聚合物制成的外壳，后者可保护内核免受外界环境的不必要干扰[56]。3.3.1.7. 量子点（QDs）量子点是具有多种生物医学应用的半导体荧光无机纳米颗粒，由II族和VI族元素组成。可以通过自下而上或自上而下的合成方法制备。量子点的核心由半导体材料构成，外部覆盖有其他材料。量子点的大小和形态决定了其光电性能，使其适用于药物靶向、负载及药物作用监测[62]。3.3.1.8. 金（Au）纳米颗粒Au纳米颗粒的核心由金原子构成，并表面覆盖有负电荷的活性基团。由于表面的负电荷，Au纳米颗粒能与蛋白质、抗生素、各种配体和基因发生强烈相互作用，如图9所示。3.3.1.9. 碳纳米管碳纳米管（CNTs）由六边形排列的碳原子组成，石墨烯层堆叠成管状结构。作为富勒烯家族的一员，碳纳米管因其独特的物理化学性质、细胞穿透能力、高药物负载能力和结构灵活性而在癌症治疗中表现出色[56]，[62]。3.3.1.10. 中孔二氧化硅纳米颗粒（MSNPs）MSNPs由二氧化硅构成，以其多孔结构而闻名。由于其巨大的药物负载能力，它们在生物医学应用中具有重要意义，可以通过被动靶向作用聚集在肿瘤组织中实现药物递送[56]，这一机制将在后续章节中详细讨论。3.3.1.11. 超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONPs）磁铁矿和磁赤铁矿因其磁性而被归类为SPIONPs。当这些磁性化合物的尺寸降至10–20纳米时，会表现出超顺磁性。对SPIONPs进行表面修饰后，可使其携带多种配体、蛋白质、肽和抗癌药物，从而精准地作用于肿瘤细胞上的目标受体[56]。3.4. 靶向药物递送通过改进药物递送方式将药物精准输送到特定区域，对于提高治疗效果和减少高剂量带来的毒性至关重要。药物靶向的关键在于将高浓度的药物送达目标部位，同时减少其与非目标部位的接触。药物靶向是靶向位点、药物性能协调以及药物载体共同作用的结果。有多种方法可以实现药物向目标部位的递送[50]。3.4.1. 被动靶向被动靶向过程中，药物递送依赖于身体对药物物理化学性质的天然响应，发生在血液循环过程中。这取决于药物载体在血液中的半衰期以及药物纳米载体在目标部位的积累[50]，[62]。通常，在炎症或感染部位，缓激肽会过度积聚，从而增强药物的渗透性和滞留效应（EPR）。在癌症情况下，由于血管通透性高，肿瘤组织能够获得充足的氧气和营养物质，促进其快速生长。利用这一机制，药物可以被输送到肿瘤血管中[7]，[62]。3.4.2. 主动靶向主动靶向利用分子识别机制，模仿抗原-抗体和配体-受体之间的相互作用。这一过程发生在血液循环和血管外渗之后。常用的配体包括多糖、小分子、蛋白质和核酸等，它们之间的强结合能够实现精确的药物递送。主动递送还通过物理刺激的修饰来实现。配体被附着在纳米载体的表面，选择合适的配体对于提高递送效果至关重要。用于癌症治疗的主动递送配体包括转铁蛋白、短链DNA或RNA、适配体、叶酸、肽和抗体[50]，[62]。3.5. 有机、无机和碳基纳米颗粒在医学中的应用有机纳米颗粒（如脂质体、聚合物纳米颗粒、树状大分子和固脂质载体）在药物递送和伤口愈合中发挥着重要作用。它们的可生物降解性和可调表面化学性质使得既能包裹亲水性药物也能包裹亲脂性药物，从而提高治疗效果并降低全身毒性。脂质体和壳聚糖基载体通过促进细胞摄取和持续释放药物，有效改善伤口管理和局部给药系统。无机纳米颗粒（如金、银、氧化铁和二氧化硅）具有显著的抗菌和抗癌活性。Au纳米颗粒作为靶向化疗的纳米载体，而Ag纳米颗粒则通过产生活性氧和破坏细胞膜发挥广谱抗菌作用。碳基纳米材料（包括碳纳米管、氧化石墨烯和富勒烯）在癌症治疗、抗菌研究和抗氧化防御方面具有巨大潜力。它们的高表面积有助于高效吸附药物和基因传递，其内在的电子和机械特性促进了与抗炎和抗肿瘤相关的细胞信号传导。这些纳米颗粒平台为下一代治疗和再生医学提供了多功能、生物相容性的解决方案。4. 药物给药途径有多种途径可以将药物递送到目标组织，具体选择取决于疾病位置、药物性质、疗效以及患者的接受度[5]。4.1. 经皮药物递送（TDD）皮肤作为人体最大的器官，在经皮药物递送（TDD）中起着关键作用。角质层（由死去的角质形成细胞构成）的亲脂性特征与角质形成细胞的结构共同形成了屏障。为克服这一障碍，开发了含有囊泡和纳米乳液的纳米载体[8]，[62]。纳米载体通过细胞内途径、跨细胞途径和附属器官途径穿透皮肤。TDD避免了代谢、胃肠道刺激以及食物影响导致的递送速度差异等问题[5]，[62]。常用的TDD纳米载体包括树状大分子、脂质体、乙osomes、纳米乳液、transosomes和聚合物纳米颗粒。最新的TDD研究主要集中在利用高压喷射、激光、超声波和电穿孔等方法突破角质层这一障碍[62]。4.2. 血脑屏障（BBB）药物递送多形性胶质母细胞瘤、帕金森病和阿尔茨海默病等神经系统疾病每年导致数百万人死亡[54]。血脑屏障（BBB）是中枢神经系统中最为紧密的内皮结构。任何想要进入大脑的分子都必须穿过BBB和血-脑脊液屏障。内皮细胞之间的紧密连接限制了药物递送。据报道，脂质体和SLNs等纳米载体能够突破这一屏障将药物输送到大脑[8]，[62]。4.3. 静脉注射途径昂贵的药物以及受胃肠道影响、无法直接递送到组织或肌肉的药物可以通过静脉注射给药，这样可以避免酶的降解作用，同时药物作用迅速[5]，[62]。4.4. 口服和吸入途径最常用且普遍接受的给药途径是口服。这取决于药物的溶解性和渗透性。该方法适用于水溶性较差的药物的递送；能够实现大分子的跨细胞和细胞内递送；实现精准的靶向递送；以及帮助药物穿过肠道屏障。肺部给药适用于治疗囊性纤维化、哮喘和慢性阻塞性肺病等呼吸系统疾病。为了成功递送吸入型纳米颗粒，药物需通过肺部清除系统和细胞色素p450的解毒作用[62]。5. 提高基于纳米颗粒的药物效率可以通过以下方式提高纳米颗粒基药物的疗效5.1. 使用磁性纳米颗粒（MgnNPs）磁性纳米颗粒（MgnNPs）是医学领域中最常用的药物递送方法之一。过去十年中，MgnNPs在癌症治疗中的应用显著增加，目前正进一步研究利用MgnNPs设计新型药物以治疗呼吸系统疾病。常用的MgnNPs含有磁赤铁矿和磁铁矿等成分，表面覆盖有聚合物、脂质或二氧化硅，用作纳米药物载体。在外加磁场的作用下，MgnNPs将磁能转化为热能，在磁场作用下能够精准地将药物递送到感染区域而不损伤健康细胞。在治疗囊性纤维化时，MgnNPs像纳米刀一样穿透厚厚的生物膜层，将药物输送到目标部位[63]。属于革兰氏阴性α-变形菌群的趋磁细菌是天然产生的MgnNPs（例如Greigite和Magnetite）。磁小体是仅存在于趋磁细菌中的特殊细胞器，具有吸引药物递送的应用潜力。这些纳米级磁性晶体可通过细菌细胞质膜内陷过程和铁及蛋白质的流入自然合成。MgnNPs在被动药物靶向中非常受欢迎，因为它们能在热疗和外部磁场的作用下将药物导向感染组织。它们还可以与重金属纳米颗粒、蛋白质、酶或核酸结合，用于增强治疗效果[7]。5.2. 结合透明质酸（HA）使用透明质酸（HA）透明质酸是一种糖胺聚糖（GAG）聚合物，最初由Karl Meyer从牛玻璃体组织中分离出来。由于其可生物降解性、低炎症性、粘弹性、非免疫原性和低毒性，透明质酸被广泛应用于多种药物递送系统，包括纳米颗粒和纳米乳液。透明质酸可通过Streptococcus zooepidemicus、Escherichia coli、Bacillus subtilis等微生物发酵生产。其中C群链球菌因其对人体无致病性且产酸能力更强而更受青睐[64]。透明质酸含有多种化学基团（如羟基、羧基和N-乙酰基），便于化学修饰和定制医疗应用。当与不同纳米乳液和纳米颗粒结合时，透明质酸可形成自组装化合物（如纳米凝胶和胶束），实现药物释放的调控和在血液循环中的长效作用[64]。5.3. 使用纳米级金属有机框架（NMOFs）纳米级金属有机框架（MOFs）因其结构、表面积、可调的多孔性和可修饰的化学性质而成为有前景的纳米药物载体。这些金属有机框架（MOFs）被还原为纳米级结构，形成了纳米MOFs（nMOFs），它们能够在表面或结构框架内部捕获或吸附不同的功能性分子。nMOFs因其巨大的药物负载能力、化学多样性和生物降解性而备受青睐。为了增强其生物功能性，人们通过将MOFs与有机配体（如氨基酸、糖类、肽和核碱基）结合来制备生物nMOFs [5,6]。目前的基于纳米的药物/纳米疫苗在炎症性肠病（IBD）的检测中显示出潜力——一些基于纳米颗粒（NP）的药物已被用于治疗炎症性肠病，但由于药物靶向性低、早期药物释放以及合成NP的毒性，在临床试验中未能取得成功。因此，需要基于天然来源的NP的药物进行治疗。IBD的致病原因尚不清楚，但估计是多因素引起的。外部环境、内源性因素以及病原微生物的暴露被认为是IBD的原因。尽管已经做出了许多努力来针对结肠进行治疗，但治疗效果似乎有限，而通过皮下和静脉注射的药物递送方法往往会引起严重的副作用。此外，IBD患者的肠道微生物群也有所减少 [65]。将成像技术与纳米技术结合有助于在早期阶段检测IBD。含有AuNPs的传感器可以用来区分IBD和肠易激综合症（IBS）[66]。

使用微生物疏水蛋白（MHs）进行表面包覆是一种新兴的纳米药物递送方法。MHs是自组装的两亲性蛋白质，可以在疏水性化合物上形成层状结构，这一特性被用来增强药物递送效果。为了克服表面张力，多种微生物会合成界面活性表面活性蛋白，其中研究最多的是微生物疏水蛋白。这些蛋白质分子量低，具有出色的表面活性，并富含半胱氨酸。此外，MHs本质上是无毒的。与两亲性肽和水凝胶类似，它们在医疗保健、化妆品、生物传感器、农业和分离技术中有多种应用。MHs的应用主要基于其自组装能力和改变表面活性剂亲水-疏水特性的能力，这使它们成为提高药物递送治疗效果的最佳多功能涂层 [28]。

全球范围内，严重急性呼吸综合征-冠状病毒-2（SARS-CoV-2）引发了前所未有的疫情。世界各地的研究人员为抗击COVID-19（冠状病毒病-2019）付出了巨大努力。虽然对COVID-19的发病机制了解不多，但它与SARS-CoV-2相似。病毒包膜上的刺突糖蛋白能够识别并与肺部的ACE2受体相互作用，随后病毒通过网格蛋白介导的内吞作用攻击宿主细胞 [67]。目前正在进行大量研究以开发针对COVID-19的新药物。一种名为“Avigan”的抗病毒药物最初在中国被推荐用于治疗COVID-19，该药物通常用于治疗流感病毒。如果将其与纳米技术结合使用，可以有效治疗COVID-19。纳米乳液能够掩盖病毒包膜，防止其吸附并进入健康宿主细胞。当Avigan被封装在纳米乳液的核心中时，在释放到目标部位后可以与病毒的RNA依赖性RNA聚合酶相互作用，从而抑制病毒复制 [44]。

基于NP的改进型抗癌治疗/纳米疫苗包括：
6.4.1. 细菌-NP生物杂交体
生物杂交体的概念是将NP与活细菌结合。在细菌表面，NP起到对抗全身性炎症的作用。此外，生物杂交体利用细菌的运动能力将药物递送到肿瘤部位。NP与细菌之间的结合可能是通过共价键、物理吸附、生物矿化、抗原-抗体相互作用或亲和素-生物素相互作用实现的 [68, 69]。

6.4.2. 来自细菌的膜囊泡（MVs）- 纳米平台
MVs由革兰氏阴性细菌产生，尺寸为20-400纳米。它们具有巨大的药物装载能力、生物相容性、物理化学稳定性以及与其他细胞相互作用的能力。MVs含有RNA、DNA、脂蛋白、外膜蛋白和脂多糖。凭借这些特性，MVs本身就能带来抗肿瘤效果。然而，它们也可能引起全身性炎症反应，这需要进一步研究 [69]。

6.4.3. 基于纳米技术的COVID-19疗法
COVID-19在全球范围内造成了巨大的影响。研究人员在全球范围内展开了抗击COVID-19（冠状病毒病-2019）的大规模工作。尽管对COVID-19的发病机制了解不多，但它与SARS-CoV-2相似。病毒包膜上的刺突糖蛋白能够识别并与肺部的ACE2受体相互作用，随后病毒通过网格蛋白介导的内吞作用攻击宿主细胞 [67]。目前正积极研发针对COVID-19的新药物。一种名为“Avigan”的抗病毒药物最初在中国被推荐用于治疗COVID-19，如果将其与纳米技术结合使用，可以有效地治疗COVID-19。纳米乳液能够掩盖病毒包膜，防止其吸附并进入健康宿主细胞。当Avigan被封装在纳米乳液的核心中后，在释放到目标部位后可以与病毒的RNA依赖性RNA聚合酶相互作用，从而抑制病毒复制 [44]。

6.4.4. 基于NP的改进型抗癌治疗/纳米疫苗
(a) 细菌-NP生物杂交体
生物杂交体的概念是将NP与活细菌结合。在细菌表面，NP作为屏障对抗全身性炎症。此外，生物杂交体利用细菌的运动能力将药物递送到肿瘤部位。NP与细菌之间的结合可能是通过共价键、物理吸附、生物矿化、抗原-抗体相互作用或亲和素-生物素相互作用实现的 [68, 69]。

(b) 来自细菌的膜囊泡（MVs）- 纳米平台
MVs由革兰氏阴性细菌产生，尺寸为20-400纳米。它们具有巨大的药物装载能力、生物相容性、物理化学稳定性以及与其他细胞相互作用的能力。MVs含有RNA、DNA、脂蛋白、外膜蛋白和脂多糖。凭借这些特性，MVs本身就能带来抗肿瘤效果。然而，它们也可能引起全身性炎症反应，这需要进一步研究 [69]。

(c) 纳米疫苗
作为疫苗的关键成分，佐剂可以引发强烈且持久的免疫反应。纳米材料因其高度的可调节性和不同的物理化学特性，在佐剂开发中显示出独特的优势和广泛的应用前景 [31]。它们还可以作为多价疫苗发挥作用。NP能够增强疫苗的生物活性。NP通过在NP表面结合抗体来提高疫苗的靶向性，这些抗体随后与特定类型癌细胞的膜蛋白相互作用。NP本身也能刺激免疫反应。NP将可溶性抗原携带到树突状细胞中，从而提高抗原的可溶性吸收 [8]。一些纳米疫苗的例子包括COVID-19 mRNA疫苗。BioNTech和Moderna的纳米疫苗使用mRNA编码的冠状病毒刺突蛋白来触发免疫反应 [70]；流感纳米疫苗油包水纳米乳液已被用作流感疫苗的佐剂，显示出作为兽医佐剂的潜力 [71]。纳米疫苗可以增强对多种病毒（包括SARS-CoV-2、HIV和流感）以及细菌/寄生虫（包括HCV、RSV、疟疾和结核病）的免疫反应。这可以通过使用mRNA NP、类病毒颗粒、自组装NP和外泌体来实现 [72]。

(a) 纳米疫苗组成
纳米疫苗是一种先进的制剂，其中抗原、佐剂和纳米载体整合到一个纳米级系统中。典型成分包括作为抗原的蛋白质或肽、免疫调节佐剂以及载体（如脂质体、聚合物NP或金属纳米结构）。它们的小尺寸（20-200纳米）增强了淋巴运输和抗原呈递细胞（APCs）的吸收，而较大的表面积则允许多价抗原展示 [31, 70]。

(b) 抗原
抗原是纳米疫苗设计中的主要免疫触发因素。它们可以包括蛋白质、肽、多糖、核酸（DNA/mRNA）或病原体衍生的亚单位。例如，BioNTech/Pfizer和Moderna的COVID-19疫苗通过脂质NP递送mRNA编码的病毒刺突蛋白，实现高效的细胞内抗原表达和强烈的免疫激活（Shetty等人，2024年）。多表位或肿瘤特异性抗原越来越多地用于癌症纳米疫苗中，以产生细胞毒性T细胞反应。

(c) 佐剂
佐剂通过激活先天免疫受体并延长抗原暴露时间来增强抗原的免疫原性。传统佐剂（明矾、MPLA、CpG）可以整合到纳米载体中，或者被金、二氧化硅或聚合物颗粒等内在纳米佐剂替代，这些佐剂既作为载体又作为免疫刺激剂 [31]。纳米结构佐剂能够实现可控的抗原释放、改善的交叉呈递和比传统制剂更安全的免疫激活。

(d) 纳米载体
纳米载体决定了纳米疫苗的递送效率和免疫特性。主要类别包括脂质体、聚合物NP、树状大分子、胶束和纳米凝胶。脂质NP特别适用于核酸疫苗，而聚合物和蛋白质基系统（PLGA、壳聚糖、铁蛋白）允许调节降解和靶向释放 [56, 62]。表面修饰带有靶向配体或抗体可以进一步引导疫苗到达淋巴结或肿瘤组织，引发更强的体液和细胞反应。

总体而言，纳米疫苗结合了抗原特异性、佐剂效力和载体精确性，提供了针对传染病和癌症的持久、安全且有效的免疫疗法。

7. 局限性和未来研究方向
微生物来源的智能药物NP显示出巨大潜力，但仍存在一些缺点。首先，由于微生物合成NP的标准化不足，导致颗粒大小、稳定性和可重复性存在差异。尽管许多研究集中在实验室规模的生产上，但大规模生产和监管审批过程仍不明确。此外，关于微生物生成的NP和纳米疫苗的长期毒性和安全性知之甚少，特别是在免疫反应和体内靶向药物递送效果方面。在生理条件下实现精确靶向和调节释放也是基于MNPs的药物递送系统面临的另一个问题。此外，由于缺乏比较研究，人们对这些NP与化学合成替代品的功能了解有限。在理解这篇综述的结论时，必须考虑到这些局限性。尽管在MNPs合成方面取得了显著进展，但仍存在一些关键的研究空白。不同微生物物种之间纳米颗粒产率和形态的差异突显了菌株工程和基因组优化的必要性。未来的研究应重点关注：
1. 酶促和遗传决定因素在金属离子还原和成核过程中的机制阐明。
2. 规模放大优化，包括生物反应器设计和工艺标准化，以实现可重复性。
3. 使用生物启发式配体进行表面功能化，以提高稳定性和靶向递送效果。
4. 进行全面的毒理学评估，包括体内和体外研究，以建立生物安全性概况。
5. 与微流控、机器学习和组学分析等新兴技术结合，以预测和控制纳米颗粒的性质。

8. 结论
微生物系统为纳米颗粒合成提供了一个可持续且生物安全的平台，在绿色化学和生物医学应用中具有独特优势。本综述强调，微生物过程可以通过内在的生化机制有效控制纳米颗粒的大小、形状和表面功能。虽然在理解微生物途径和优化合成参数方面取得了显著进展，但大规模生产和可重复性仍然是未解决的挑战。与其他合成技术的比较评估突显了微生物途径在环境和生物相容性方面的优势，但仍需要综合策略来提高工艺效率。未来的研究应侧重于微生物菌株的基因改造、先进的过程控制以及全面的生物安全性评估，以确保MNPs在 therapeutic、诊断和环境修复应用中的可靠转化。

**作者贡献声明**
Venkateswar Reddy Kondakindi：撰写原始草稿、方法论、数据管理、概念化。
Ranjit Pabbati：撰写原始草稿、方法论、数据管理、概念化。
Renuka Satya Sree Nalam：资源提供、形式分析、数据管理。
Gnana Deepu P：资源提供、形式分析、数据管理。
Harihara Jogipeta：资源提供、形式分析、数据管理。
Naga Raju Maddela：撰写审查与编辑、可视化、监督。
Ram Prasad：撰写审查与编辑、可视化、监督、数据管理。