综述：将金属作为抗菌材料的发展：知识空白与未来研究方向

《Canadian Journal of Microbiology》：Development of metals as antimicrobials: knowledge gaps and future directions

　　摘要
我们现在正处于抗菌素耐药性时代，抗生素耐药细菌越来越令人担忧，这迫切需要新的抗菌剂。不幸的是，在过去几十年中，制药行业对开发新抗生素的兴趣逐渐减弱。尽管如此，学术界的研究人员在过去十年中在探索替代方案方面取得了进展，他们重新关注了历史上的感染控制方法。由此，我们看到了一个研究领域，该领域正在研究基于金属的抗菌剂（MBAs）和金属抗生素的有效性。这些抗菌剂以金属盐、合金、金属复合物、有机金属和纳米材料的形式存在。已经开发出许多有效的配方，用于对抗抗生素耐药菌株的各种应用。本文重点介绍了金属盐作为抗菌和抗生物膜治疗的应用。综述指出了对作用机制的潜在误解、知识空白、被忽视的领域以及未来发展的潜在方向。目标是理解分析MBAs的主要和次要作用机制，以配制出含有金属元素的有效抗菌剂。最后，提出了一些参数，这些参数是金属制剂成功应用所必须满足的，以避免重蹈抗生素的覆辙。

背景
我们现在处于抗菌素耐药性（AMR）时代（Alanis 2005）。抗生素效力下降的原因有很多，主要与农业/畜牧业中不适当的处方和使用有关。AMR问题因新抗生素研发的减少而加剧。部分原因是经济因素的影响。制药行业认识到，由于耐药性的迅速发展，抗生素的产品寿命较短，因此在研发上的投资不具备经济效益。除了实验室中的抗菌剂发现外，还面临药代动力学、可扩展生产、储存稳定性、毒性和安全性等实际挑战。此外，地区监管机构、临床系统的看法以及医生、兽医和公众的态度也是重要因素。这些因素共同导致了制药行业新抗菌剂出现的不断减少。因此，过去几十年中，新抗生素及其替代品的研究主要依赖于学术研究人员。这类研究带来了多种病原体控制方法，包括天然和合成化合物以及其他策略（Plotniece等人2023）。正在探索的新抗菌剂包括抗菌肽（两亲性、离子转运蛋白和环状肽）（Magana等人2020；Lai等人2022；Chen和Jiang 2023）、大环化合物（天然和合成）（Garcia Jimenez等人2023）以及重新利用孤儿药（Boyd等人2021）。还有通过联合使用各种辅助剂来改进现有抗生素以恢复或增强其效力的方法（Dhanda等人2023），例如耐药机制抑制剂（Laws等人2019）、生理/免疫调节剂和激活剂、多重耐药性外排泵抑制剂（Sharma等人2019），以及利用基因组学进行个性化医疗和/或通过益生菌和微生物组增强疗法。进一步的创新思路是探索未发现或已知但代谢机制未被充分研究的微生物物种，以发现天然抗菌产物。在这方面，最近使用真菌的研究引起了兴趣（George和Wright 2025）。另一种方法是利用细菌寄生物种，如Bdellovibrio或原生动物，它们可以捕食细菌（Schwarz等人2022；Brown等人2012）。据估计，80%的感染来自生物膜状态下的微生物。在这种状态下，细菌具有极强的抗菌耐受性（Ciofu等人2022）。针对生物膜的具体策略，如使用群体感应抑制剂（Bhardwaj等人2013），以及创新物理方法，如电疗、光动力和超声波（Sen等人2021）也得到了研究。此外，材料科学还涉及使用工程化的抗附着和抗菌表面及涂层（Francolini和Donelli 2010；Balaure和Grumezescu 2020；Zou等人2025）。其他想法还包括使用脂质囊泡进行靶向递送和其他纳米技术（Mubeen等人2021；Hakimi等人2025）来递送疫苗、抗体/纳米抗体和CRISPR-Cas9基因编辑。当然，无论采用何种方法来应对AMR，我们都必须为每种新抗菌剂的应用和市场推广添加管理、可持续性和教育措施。研究人员需要对新抗菌剂进行耐药性实验，以了解其有效时间。重要的是，不要再幻想有一种神奇的单一方法可以解决所有感染问题。这是一场艰难的战斗，我们必须多方面推进策略。目标应该是探索能够攻击不同靶点和生理状态的抗菌剂组合，以实现协同（或拮抗）效果。最后，应重新考虑“传统”方法，如使用蛆虫、精油或植物化合物（Winska等人2019；Pormohammad等人2022），或潜在有毒金属。

金属作为抗菌剂
许多开发新型抗菌剂的方法要么针对特定的细菌抗菌目标，要么重新利用旧知识。回顾我们的祖先，他们会将天然植物化合物制成膏剂，同时也会使用金属元素。为了防止水质污染，波斯人使用铜（Cu）或银（Ag）制成的容器。类似的做法后来被腓尼基人、罗马人、希腊人和埃及人采用（Alexander 2009）。在中世纪，水手和美洲殖民者在水和牛奶桶中放入银币以防止痢疾（Borkow和Gabbay 2009）。古代医学中记录了金属的使用，最早的已知外科文本埃德温·史密斯纸莎草文书写于公元前1500年左右。几个世纪以来，砷（As）、铜（Cu）、银（Ag）、金（Au）、汞（Hg）和碲（Te）等金属或类金属元素被用于伤口处理和感染控制，或者治疗麻风病、结核病、淋病、梅毒和贫血等疾病（Pereira 1836；Hodges 1889）。然而，金属类金属不仅用于人类疾病。18世纪时，铜（Cu）等金属被用来控制谷物种子和其他作物的某些病害（Russell 2005）。最近，铬酸铜（CrO42?）与铜或汞（Hg）的混合物被用作木材防腐剂（Townsend和Sololo-Gabriele 2006）。到了19世纪，金属类金属在治疗多种疾病方面的应用已经相当成熟。

金属（类金属）及其合金作为抗菌剂有着悠久的历史，但在19世纪末Joseph Lister发明外科消毒剂和1928年Alexander Fleming发现抗生素之后，它们的地位受到了冲击。二战末期，关于金属类金属作为抗菌剂的严肃学术研究才开始兴起。目前，在AMR时代，人们对探索和开发基于金属的抗菌剂（MBAs）再次表现出兴趣（Turner 2017；Centola等人2020；Li等人2021a；Salazar-Alemán和Turner 2022；Frei等人2023；Turner 2024；Wang等人2025）。MBAs现在以金属盐、离子、合金、金属复合物、金属螯合物/金属载体、有机金属化合物、金属-抗生素共晶体或共聚物、金属有机框架（MOFs）、金属-药物结合物、金属作为佐剂以及各种金属纳米材料（尤其是纳米颗粒NPs）的形式出现。金属复合物被称为金属抗生素（Ming 2003；Frei 2020），并且人们开始更广泛地考虑周期表中的过渡元素和镧系元素，展现出巨大的潜力（Frei等人2020）。考虑到所有这些发展路径，“金属抗生素”（Turner 2024）这个术语可能更准确地涵盖了针对不同微生物群体的金属疗法。

细菌对金属（类金属）的耐药性
在理解细菌如何在有毒金属浓度存在下生存时，我们可以将讨论分为评估耐药性（突变和特定的进化防御机制）和适应性耐受性（生理变化）两个方面。为了开发有效的MBAs，我们必须认识到细菌已经进化出了应对这些元素的机制，无论是作为必需金属还是毒素。一些在药物开发中研究金属元素的人似乎忽视了这一基本前提。我惊讶地听到和看到媒体和学术文献中有人认为银（以离子或纳米颗粒形式）是极好的抗菌剂，因为细菌不会对其产生耐药性。确实，关于银的炒作始于20世纪90年代，并在21世纪初期达到高潮，出现了多项相关专利（Sim等人2018）。其临床普及导致广泛的出现耐药性（Silver 2003；Norton和Finley 2021），包括对其他抗菌剂的交叉耐药性（Rippon和Rogers 2025）。因此，在探讨MBAs如何对细菌具有毒性从而成为优秀抗菌剂之前，有必要简要概述其耐药性和耐受性机制。

耐药决定因素
对细菌如何进化出应对潜在有毒金属离子的耐药机制的研究始于20世纪70年代。随着20世纪80年代和90年代新的分子生物学工具的出现，人们开始研究针对特定金属的耐药基因（Summers和Silver 1978；Silver和Misra 1988；Silver和Phung 1996；Hobman和Crossman 2015；Salazar-Alemán和Turner 2022）。这些耐药决定因素现在被称为金属耐药基因（MRGs），并保存在在线资源bacmet.biomedicine.gu.se中（Pal等人2014）。遗憾的是，该数据库自2018年以来未得到积极维护，但仍是一个优秀的起点资源。与抗生素耐药基因（ARGs）类似，MRGs通常存在于可移动遗传元件上，有时单个移动整合子上仅有MRGs，有时则与ARGs一起存在于质粒上。MRGs编码的蛋白质介导对Al、Ag、Sb、As、Bi、Cd、Cr、Co、Cu、Ga、Au、Fe、Pb、Mg、Mn、Hg、Mo、Ni、Se、Ag、Te、W、V和Zn等金属离子的耐药性。其中一些基因还与对有机金属化合物的耐药性相关。虽然大多数MRGs在基因和生化水平上已经被很好地表征，但仍有部分尚未阐明。例如，碲酸根（TeO32?）的耐药机制仍不清楚（Presentato等人2019）。总体而言，细菌处理有毒金属的机制可分为以下几类：
a. 将金属离子排出细胞的外排转运蛋白；
b. 通过氧化还原化学反应或将有机基团加入使金属状态转化为毒性较低或惰性状态；
c. 通过金属结合生物分子（金属载体、蛋白质或其他生物聚合物）进行隔离；
d. 结合上述任何一种机制。

金属抗生素的发展非常有前景，因为它扩展了抗菌剂的种类（Frei等人2023），但我们仍需考虑耐药性最终会进化。例如，尽管目前没有专门针对铑的细菌MRG，但基于铑的复合物正在被研究作为抗菌剂和抗癌药物，因此迟早会出现针对铑的MRG。

细菌对金属（类金属）的适应/耐受性机制
病原体的耐受机制研究较少。许多机制是从毒性研究中推断出来的。然而，近年来的组学研究（代谢组学、蛋白质组学或转录组学）表明，无论是急性还是慢性金属离子挑战，细菌都表现出适应性耐受性。最常研究的MBA是银（Boenigk等人2014；McQuillan和Shaw 2014；Saulou-Berion等人2015；Gugala等人2018；Wang等人2019；Betts等人2021；Salazar-Alemán等人2025），这很可能是因为银在临床和商业上的广泛应用。尽管不同研究和/或不同培养基下的结果难以直接比较，但在功能系统（KEGG分类）方面存在一些相似性。特别是在观察到的变化中，包括膜维持机制、硫和铁的代谢（尤其是铁-硫[Fe-S]修复机制）、整体氧化应激反应，以及在某些情况下多药抗性外排泵的变化。必须考虑到许多金属对细菌生理功能是必不可少的；因此，通常我们会看到金属稳态系统的变化，以应对这些必需元素的增加暴露（Nies 1999；Chandrangsu等人2017）。存在编码传感器调节元件、膜转运蛋白和结合蛋白的必需金属稳态系统，这些系统中的任何一个都可能通过差异表达或甚至通过突变获得对相关有毒金属的耐受性。铜的代谢涉及Cu(I)和Cu(II)平衡系统的复杂调节以及感知机制，包括结合、吸收和外排过程。因此，在CuSO4暴露下，这些系统中的基因会表现出差异性调控，而稳态系统内基因的突变会导致敏感性的增加（Gugala等人2022；Salazar-Alemán等人2025）。我们也发现，当面对有毒元素（如银）时，必需元素的稳态会发生变化，这会通过cus外排系统影响铜的稳态和耐受性（McNeilly等人2021）。我们的团队还研究了MBAs（铜、镓和金）在亚抑制浓度下对大肠杆菌生长的影响（Gugala等人2022；Salazar-Alemán和Turner 2025；Salazar-Alemán等人2025）的转录组学反应。对差异表达基因的比较揭示了几个显著的观察结果（图1）。首先，值得注意的是，这四种金属引起的差异表达基因（DEGs）非常少。这与早期认为所有有毒金属在细菌中都会引发相似反应的观点相反。即使在第11组 coins金属（铜、银和金）之间有相似性，这些元素之间的DEGs也只有少数（3个减少，13个增加）。金的反应最为显著，其DEGs数量最多，且与银的反应最为相似。在主要的适应性反应方面，所有四种金属都表现出铁吸收增加的相似细胞反应，因为毒性会影响铁的稳态。只有银表现出细胞包膜应激反应，而镓的独特反应则体现在[Fe-S]修复和一氧化氮解毒上。铜和金都改变了铜的稳态系统。除银之外，所有金属都导致了硫氨基酸生物合成的变化。

图1. 在最小盐培养基+葡萄糖中培养10小时的大肠杆菌在亚抑制浓度的AgNO3、HAuCl4、Ga(NO3)3和CuSO4作用下，差异表达基因（DEGs）的数量。数据来自Salazar-Aleman和Turner（2025）以及Salazar-Aleman等人（2025）的研究。这种类型的实验关注的是与未暴露培养相比，在有毒金属应力存在下数小时适应和生长后基因表达的变化。预计这种研究结果与更急性金属浓度的挑战相比会有所不同。在面对有毒挑战时，我们通常会观察到氧化应激反应；因此，这样的研究可能会被简单地测量SOS反应所掩盖（Baharoglu和Mazel 2014），因为这是由于即将死亡而产生的最后挣扎。这种氧化反应也在评估其他应力源（如传统抗生素）的研究中被观察到（Vaishampayan和Grohmann 2021）。

在开发新型MBAs并确定其作用机制时，有几项被忽视的因素和知识空白需要考虑。与抗性机制相比，针对金属（类金属）对细菌毒性的机制研究要少得多。金属原子/离子与细胞生物分子的相互作用遵循硬-软酸碱理论和配体结合理论（Lemire等人2013）。这些效应由金属元素的物理化学性质驱动，其毒性水平与特定性质相关。在这种情况下，还原电位（ΔEo）是预测元素毒性的良好指标。此外，与硫化物的结合平衡和Person的软度指数也与毒性相关（Workentine等人2008；Lemire等人2013）。基于这些原理，不同类别的金属（根据它们是软酸还是硬酸）遵循一些通用分子毒性机制。金属与生物分子的生物无机化学反应在所有生物中都是普遍存在的，但毒性水平因细胞膜和生理性质而异。特别是，细菌的细胞质具有更低的氧化还原电位，比真核细胞低得多。细菌细胞质中的谷胱甘肽（GSH）和类似的硫醇肽水平相当：细菌中约为10 mmol/L（Masip等人2006），而在真核生物中则在0.5到10 mmol/L之间（Wu等人2004）。然而，GSH在细菌中完全还原为GSSG或GSR，而在真核生物中 mostly 以氧化形式存在。因此，像Hg+这样的软酸金属会迅速氧化并破坏细菌细胞中的RSH生物化学过程，但在真核细胞质中的影响要小得多。

考虑到这些原理，并结合上述众多组学研究的结果，金属的毒性机制可以归为几个明确的类别：
i. 硫醇基团氧化
ii. 改变细胞内的氧化还原电位
iii. 生物能损害
iv. 从铁-硫中心竞争中取代铁
v. 与细胞色素中的氧化还原元素竞争
vi. 直接从电子载体处抢夺电子
vii. 与蛋白质结合
viii. 替换/交换必需的催化金属
ix. 引起别构失调
x. DNA损伤
i. 通过活性自由基，可能导致碱基损伤或链断裂
ii. 直接结合改变重要的分子生物学过程
iii. 扰乱细胞壁-膜过程
iv. 影响/竞争必需金属的运输
v. 与脂质头部结合影响膜流动性/过程
vi. 与细胞壁聚合物和脂多糖结合

图2展示了生物无机化学与环境影响微生物之间错综复杂的相互作用，这些都影响了MBAs的毒性。除了上述列表，下面还讨论了几个经常被忽视的变量。

从上述列表中不难看出，某种金属离子可能干扰多种生物化学过程，从而产生多效性效应。这与典型药物有很大不同，后者通常有更多的特定分子靶点。因此，目标酶中的单个突变更容易导致抗性，而改变MBAs敏感性的需要多个系统的多次突变。这一假设表明MBAs可能是解决抗菌素耐药性（AMR）问题的优越方案，但这忽视了细胞表面成分的突变或外排系统的表达可以很容易地提供所需的耐受性或抗性。这些信息表明，所有细菌应对某种金属离子的挑战应表现出相似的反应，但实际上并非如此。可以接受双膜细菌（革兰氏阴性菌）和单膜细菌（革兰氏阳性菌）之间的差异，因为金属离子到达细胞质的途径会有所不同。有氧与厌氧、呼吸与发酵、浮游生长与生物膜生长状态等条件也会导致不同的生理和生物能依赖性，从而产生不同的MBAs敏感性。然而，我们经常发现，两种被广泛研究的革兰氏阴性菌——大肠杆菌和铜绿假单胞菌，在相同条件下培养时，对同一种金属盐的反应却存在显著差异（Gugala等人2017，2019a）。只有通过精心设计的组学实验来捕捉每种生物体的独特生物无机生理特性，才能解决这一悖论，这样的信息将有助于未来设计出针对特定物种的MBAs。

当金属离子遇到细菌细胞时，它会与不同的细胞成分和环境相互作用。考虑到细胞表面，金属原子会与脂多糖、糖萼、细胞壁肽聚糖、分泌蛋白或S层成分发生静电和配位结合。如果金属离子到达膜层，它接下来会与脂质头部结合，然后最终找到进入细胞的转运蛋白（虽然通过膜的脂质核心的简单扩散可能发生，但概率很小）。对于双膜细菌，周质提供了不同于外部环境的物理化学条件，但可以接触到更多可毒害的目标。一旦进入细胞质，又会出现完全不同的物理化学环境，其中可能存在多个独特的局部环境。这些不同的环境导致金属离子的形态和解离发生变化（以及任何与穿过细胞屏障相关的配体）。在细胞质内部，有大量的代谢物、蛋白质、核酸和其他生物分子，它们会暂时或特异性地相互作用，导致即时应激或长期损伤，最终导致细胞死亡。鉴于许多检测的时间限制，这种相互作用机制可能变得复杂。

让我们考虑氧化应激对细胞的影响。这主要集中在许多金属离子会产生活性氧（ROS）以及随后的硫和氮自由基（RONS）这一概念上（Lemire等人2013）。RONS的产生可以在正常的有氧代谢过程中自然发生，或者通过暴露于氧化剂本身或影响自然产生的应力源（如抗生素、杀菌剂、防腐剂、疏水性污染物、醌类除草剂和金属）而发生。在自然氧气呼吸过程中，金属离子可以与膜的生物能系统相互作用，劫夺并破坏它们的电子。与脂质结合的MBAs可以调节膜性质，增加电子传递链产生的自然RONS。ROS可以通过Fenton反应和Haber-Weiss反应产生，但只有铁（Fe）和铜（Cu）能够在生理pH值和氧化还原电位下催化这些反应。这些过程可以被视为金属直接产生的RONS。或者，RONS也可以通过间接效应产生，例如直接氧化细胞的RSH基团（如硫氧还蛋白、谷胱甘肽还原酶及相关还原酶）（Lu和Holmgren 2014）。如果没有这些缓冲机制，自然产生的ROS将不受控制。许多软酸金属会与蛋白质的RSH基团反应。另一种产生ROS的间接机制是必需元素的替代。镓作为铁的模拟物而闻名；它可以竞争铁的辅因子位点，使相应的氧化还原化学反应失活（Nikolova等人2016）。此外，释放出的铁随后会催化ROS的产生。同样，一些MBAs（如银）会在[Fe-S]中心与铁竞争（Xu和Imlay 2012），再次导致酶失活并释放铁以产生ROS。细菌中RONS的产生是致命的，因为它会导致核酸损伤和细胞膜的进一步损伤。细菌通过mazEF-cpx、soxRS、oxyRS、marAB、acrAB和perR调控子来响应RONS（Zhao和Drlica 2014；Seixas等人2022），但这些机制可能会被抵消。实验上，我们往往只测量ROS的水平，并倾向于得出MBAs的毒性机制是ROS的结论，但没有区分其是直接的还是间接的。一个即将死亡的细胞的解耦膜会产生ROS，但这并不能说明膜或生物能系统最初为何受损。

文献中报道的MBAs毒性的不同效果和变异性可能源于对金属的生物无机化学以及培养条件的忽视。值得注意的是，对无机和生物无机化学及物理化学条件的不了解导致了毒性机制的误解。下面简要评论了这些经常被忽视但可能非常重要的变量。

从生物地球化学的角度来看，环境调节了微生物的生理状态和金属离子的形态，同时也定义了两者之间的相互作用。然而，在金属-微生物相互作用领域，许多人（包括作者）大多忽略了无机和生物无机化学对毒性的影响，其中金属的形态通常决定了毒性。最简单的是，需要考虑氧化还原状态。砷(III)（亚砷酸盐；AsO3?）比砷(IV)（砷酸盐；AsO42?）毒性更大，同样地，碲(IV)（碲酸盐；TeO32?）比碲(VI)（碲酸盐；TeO42?）毒性更大。这种物种形态的多样性是由氧化还原电位和pH值共同决定的，正如Pourbaix（1974）所揭示的那样，这些因素提供了热力学状态之间的平衡信息。这些研究展示了在恒定温度和压力下，不同金属离子物种之间的转换。当考虑到离子强度、具有不同路易斯酸性的其他元素离子以及温度变化（在环境考虑中）时，情况会变得更加复杂。尽管这仍然是一个简单的金属离子在水溶液中的体系，但它会导致导致细胞毒性的金属元素物种分布。例如，影响假单胞菌KF707的离子物种实际上是Al3(OH)45+（Booth等人，2015年）。另外，pH值对碲酸盐（TeO32?）和HTeO3?之间物种形态的影响，有助于我们理解通过磷酸盐转运蛋白Pit或醋酸盐转运蛋白ActP（Borghese和Zannoni，2010年；Elias等人，2015年）进行碲酸盐吸收的机制。

环境化学家经常使用MinteQ程序（https://vminteq.com），该程序可以在知道所有原子类型和浓度的情况下计算物种平衡；因此，在定义好的盐介质中，它可以用来理解初始物种分布和相对浓度。然而，如果我们考虑生长介质的复杂组成以及代谢物、碳水化合物、核酸、脂质和蛋白质等不同组分的细胞生物学特性，事情就会变得更加复杂。所有这些生物分子都可以作为金属离子的螯合剂或配体。考虑到可能存在数千种生物分子，其中可能有几十种可以作为多种金属离子的非特异性配体，很快就会无法确定哪种物种会在特定细胞中引起压力。此外，微生物的生理学特性会影响各种物理化学参数之间的关系，因此我们在浮游细胞和生物膜形式之间观察到了生长生理学的差异（Workentine等人，2008年）。重要的是，不同的细胞区室和区域具有不同的pH值和电位，从而导致金属物种的摩尔比率存在局部差异。因此，金属物种在细胞外部、内部以及整个细胞中的分布都是多样的。

现在让我们考虑一下我们的抗菌测试条件及其与我们希望通过抗菌剂（MBA）控制的细菌物种所处的环境条件之间的关系。抗菌剂开发中的一个问题是，传统的体外微生物学方法忽略了宿主的影响（Farha等人，2025年）。抗菌剂开发的研究也不例外。主要的限制在于实验室培养基无法充分代表细菌在自然环境中的情况。以大肠杆菌为例，它的自然环境包括水系统、饮用水分配系统、动物肠道、土壤、植物表面、烹饪不当的食物、尿液、感染液体等。然而，在实验室中，我们通常使用Luria Bertani或Muller Hinton培养基，这些培养基并不能反映任何这些环境或碳/能量来源或浓度。一个人的饮食决定了其应对压力的生理适应能力，微生物也不例外。我们观察到，在三种不同培养基（M9+葡萄糖、LB和模拟伤口液体）中，不同抗菌剂的最低抑菌浓度（MIC）、最低杀菌浓度（MBC）和生物膜形成效果存在显著差异（Pormohammad和Turner，2020年）。在这项研究中，我们还注意到，抗菌剂的二元混合物在一种培养基中可能是协同作用，在另一种培养基中则可能产生拮抗作用。这并不奇怪，因为每种培养基不仅为细菌提供了不同的生理适应能力，还提供了不同的生物分子作为螯合剂或配体。结果是，这些生物分子作为金属载体，改变了金属离子的物种形态和生物利用度。从根本上说，必须仔细考虑抗菌剂在模拟宿主/环境的培养基条件下的使用情况，并测试其有效性。

在评估金属（类金属）离子甚至复合物的抗菌效果时，人们也会添加一定量的电荷平衡反离子。对于阴离子，通常是钠（Na）和钾（K），对于阳离子，则是氯化物（Cl）、硝酸盐（NO3?）、硫酸盐（SO42?）或醋酸盐（CH3COO?）。在大多数抗菌测试中，人们通常不会太关注这些反离子，但如果将抗菌剂的浓度从高微摩尔升高到毫米摩尔水平，可能会产生生理影响。以硝酸盐（例如AgNO3）为例，一些细菌在低氧条件下可以利用硝酸盐作为能源，从而通过fnr调控子改变复杂的铁-硫钼酶（CISMs）的基因表达。这些细菌可能会因为金属从[Fe-S]中心释放铁而中毒，导致RONS增加。同样，硫酸盐是硫酸盐还原菌（厌氧菌）的能量来源。然而，硫酸盐还原成硫化物也会带来问题，因为金属会与硫化物结合，使其物种形态变为固态，从而改变其生物利用度和毒性。即使反离子不作为能源，它仍然可以影响培养基的渗透压，并可能改变细胞膜上的Donnan电位。当然，这可能会影响转运蛋白和受体的活性，尽管细胞周质中的寡糖对于维持这种电位至关重要（Sen等人，1988年），但金属离子与这些带电碳水化合物的结合会降低这种电位，甚至在足够的反离子负载下可能会逆转膜电位。

在这种情况下，考虑金属盐的添加如何改变环境特性（特别是pH值）是一个好主意。当金属盐溶解在水溶液中时，例如硫酸铜，铜离子铜（Cu2+）会根据pH值、离子强度和电位在铜(I)和铜(II)之间达到平衡，从而调节平衡。金属离子并不总是以Cu2+的形式存在；相反，它们与水相互作用，并被水配体包围，形成[Cu(H2O)6]2+离子。这种弱酸会导致水的去质子化，生成[Cu(OH)(H2O)5]+和H+，从而使培养基酸化。根据环境的不同，这可能会进一步去质子化，形成[Cu(OH)3 (H2O)3]?和额外的2H+。因此，在高铜浓度下，我们可能面临的不是铜的毒性，而是酸性应激反应（这也会产生活性氧ROS）。

氧浓度、无氧或微需氧生长条件以及其他气体的存在和浓度也会影响环境的氧化还原平衡以及微生物的生理适应性和健康状态。最近，我们的实验室注意到不同海拔高度的实验室在金属类金属敏感性方面存在差异。在两个不同海拔高度进行的MIC实验中，氧气水平相差11%。考虑到人类在不同海拔旅行时会感到体力强弱的不同，可以想象细菌也会受到影响。慢性伤口环境是极度缺氧的（Coluccio等人，2024年），这与高通气培养瓶的情况形成对比，这再次表明在未来的抗菌剂开发中必须考虑氧气水平的作用。

传统微生物学在抗菌剂开发中的另一个缺陷是只评估单一物种。我们通常从培养物中挑出一个单克隆菌落进行测试，这忽略了测试同一物种不同生理变种/菌株的群体。在一项评估临床分离株的研究中，我们观察到不同抗菌剂对同一物种的不同分离株的抑制效果存在显著差异（Gugala等人，2019a）。这也说明了即使使用相同的菌株，不同实验室之间比较抗菌剂效果也存在挑战。显然，铜绿假单胞菌PA01在不同的实验室中适应情况也各不相同。如果考虑混合物种群体，情况变得更加复杂，因为一种物种可能会改变另一种物种对抗菌剂的耐受性，从而增加或降低其毒性。Lemire等人（2017年）报告了在浮游和生物膜生长状态下，两种物种共培养时的杀菌曲线有显著差异。对于Cu和Ag这两种抗菌剂，我们观察到铜绿假单胞菌分泌的代谢物、蛋白质和信号分子显著提高了金黄色葡萄球菌的耐受性（Monych和Turner，2020年；Gorodetsky等人，2025年）。因此，我们也应该预期当细菌存在于真核细胞系统中时，代谢和信号相互作用的复杂性会进一步增加，正如在肠道、根际、植物等微生物组中所观察到的（Trivedi等人，2020年；Krautkramer等人，2021年；Banerjee和van der Heijden，2023年）。在开发新的抗菌剂（包括抗菌剂）时，我们不能忽视细菌在其自然环境中的复杂性（Farah等人，2025年）。简化实验方法在抗菌剂开发中取得了许多发现，但许多生物参数被忽略，导致大多数药物在体内测试中失败，因为它们不能反映感染环境的实际情况。需要更复杂的模型来全面考虑宿主感染的整个生物化学/生态系统。

这些生物分子交流的群体可以是浮游的或形成生物膜的。关于生物膜和抗菌剂，我们早期报告指出，与抗生素无效相比，金属可以以时间依赖的方式杀死生物膜中的细胞（Harrison等人，2004年）。金属离子与生物膜中的细胞相互作用时，必须考虑生物膜基质——一种由各种生物聚合物和代谢物组成的混合物，这些物质可能通过配位或静电作用与金属结合，并可能进行生物无机反应。一些基质相互作用会降低抗菌剂对细胞的可用性，而其他相互作用则可能改变基质的性质，降低其保护作用（Harrison等人，2007年）。如上所述，生物膜内部存在多种可能的环境条件，这些条件会导致金属离子的物种形态发生变化。了解抗菌剂在各种病原体生物膜中的命运还有待探索，这为金属组学研究提供了机会。

抗菌剂使用的挑战在于它们能够杀死多重耐药的细菌，而且预计不会出现抗性。我已经表达了对目前抗菌剂“不合理”使用的担忧（Turner，2024年），这里不再赘述，只是提出一些未来的发展方向。值得一提的是，抗菌剂在纺织品中的滥用已经引发了抗性的产生。然而，即使是出于显而易见的感染控制目的，市场营销也常常凌驾于基础科学研究之上。大多数研究忽略了宿主的影响，正如上文所讨论的，传统抗菌剂开发生态系统中不恰当的实验结果也体现在评估抗菌剂的文献中。一个最显著的例子是在伤口治疗中使用基于金属的纳米材料，特别是银纳米粒子。我们的荟萃分析表明，使用银纳米粒子并没有改善伤口愈合（Pormohammad等人，2021年）。虽然AgNPs具有抗菌作用，但它们通常不如银盐有效；然而，大多数研究忽略了AgNPs和AgNO3都具有细胞毒性。这突显了抗菌剂使用的另一个障碍，无论是在临床还是农业应用中。虽然局部使用抗菌剂是可行的，并且正在实际应用中，但通过口服、静脉注射（IV）或吸入等途径的系统性积累可能导致副作用或慢性疾病。无论如何，以金属有机复合物形式存在的MBAs（金属基抗菌剂）仍然可以作为致命入侵性感染的最后一道防线抗菌手段。目前，MBAs在纺织品、农业、工业和医疗保健领域得到广泛应用，这些产品确实具有抗菌作用，并且在某种程度上能够实现其市场宣传的功效，但它们的使用也为细菌的进化性耐药性提供了滋生环境。另一个值得关注的问题是附带耐药性。MBAs带来的压力可能会选择性地促进抗生素耐药性的产生（Baker等人，2006年；Vats等人，2022年）。由于污水处理厂（WWTP）无法有效清除金属及其复合物，如果这些物质被排放到环境中，最终会通过雨水和土壤冲刷进入农田（Lazareva和Keller，2014年）。因此，水生和海洋系统越来越容易受到人为添加的有毒金属的影响，这无疑会破坏它们的微生物群和生态系统健康。从“同一健康”（OneHealth）的角度来看，这个问题最终会反过来对我们造成影响。世界卫生组织2025年的全球抗生素耐药性监测报告中并未提及MBAs或消毒剂。公平地说，世卫组织主要关注从世界各地医疗机构收集的GLASS数据，但这可能忽略了由MBAs引发的附带耐药性问题。尽管MBAs具有巨大潜力，但如果没有适当的监管和管理，它们将会走上与抗生素类似的困境。我们是否应该继续在运动服装中使用MBAs来控制体味，以避免影响到健身房里旁边的人；或者将它们用于治疗多重耐药性感染？至少，MBAs应该受到与抗生素相同的监管审查标准。

总结来说，本文主要评估了作为金属盐形式应用于各种场景中的MBAs的游离金属离子形态。这里提到的问题同样适用于其他金属抗微生物剂和基于金属的抗菌纳米材料。展望未来，图2中列出的变量即使没有在研究中直接被考虑，但在解释实验数据和元分析结果时也必须予以重视。pH值、电位、渗透压、离子强度、反离子类型、大气气体浓度、应用相关的介质、微生物生长状态以及微生物群落结构等因素可能比过去认为的更为重要。利用适当的代谢组学工具（Michalke，2016年；Ogra和Hirata，2017年；Yu-Fung和Sun，2024年）进行新的实验设计，将有助于阐明有效开发MBAs的机制和关键因素。

迄今为止，MBAs的应用与机制研究相结合表明，单独使用时它们在控制抗生素耐药性（AMR）方面确实发挥了一定作用。虽然已经探索了许多新型金属元素和递送方法，但更大的潜力可能在于开发出具有协同作用的新金属抗微生物剂。我们已经证明某些MBAs作为抗菌剂或抗菌膜形成抑制剂时具有协同效应（或甚至拮抗效应）（Pormohammad和Turner，2020年；Pormohammad等人，2022年）。除了将金属（类金属）与金属（类金属）混合外，MBAs还可以与有机抗菌剂结合使用，以增强其效果（Moradi等人，2025年）。除了简单的混合外，还可以制备新型复合物。过去一年，由于诺贝尔奖的表彰，金属有机框架（MOFs）受到了广泛关注。这些框架已被用作药物和抗菌剂的递送载体（Sun等人，2020年；Li等人，2021b年），但如果将金属以MBA的形式整合到MOFs中，并且有机组分也具有抗菌性，那么将产生新的药代动力学特性。此外，还可以通过共复合或共结晶来设计新药（Braga等人，2022年）。我们在MBAs与消毒剂的共结晶方面已经取得了一些成功（Lekhan等人，2022年）。Frei（2020年）及其他研究者（Weng等人，2023年）探索的金属复合物也为进一步研究提供了方向。考虑将有机抗菌剂或免疫调节剂作为复合物的支架配体/螯合剂，可能会开发出非常有效的抗菌剂。图3概述了开发理想金属抗微生物剂时需要考虑的各种因素。所有这些想法都是可行的，唯一可预见的障碍可能是药物审批流程。

致谢：
我想感谢加拿大微生物学会以及世界各地的微生物学同行多年来在这一领域所做出的贡献。同时，我也感谢博士生Daniel Salazar-Alemán制作了图1中的维恩图。