[論文レビュー] Resonant Gold Nanoparticles Achieve Plasmon-Enhanced Pan-Microbial Pathogen Inactivation in the Shockwave Regime

Mina Nazari, Min Xi+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2018

Laser-Ablation Synthesis of Nanoparticles参考文献 57被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、共鳴する金ナノ粒子がフェムト秒レーザー誘発ショック波を強化することで、抗体などの付随するバイオロジカル物質を損傷させることなく、ウイルス、細菌、ミコプラズマを含む多様な病原体を効率的に、プラズモン媒長の不活化を実現することを示している。この手法により、800 nmの近赤外光を用いて選択的かつ物理的に不活化が可能であり、プラズモン性ナノ粒子が存在しない場合にはほとんど不活化が認められない。

ABSTRACT

Pan-microbial inactivation technologies that do not require high temperatures, reactive chemical compounds, or UV radiation could address gaps in current infection control strategies and provide efficient sterilization of biologics in the biotechnological industry. Here, we demonstrate that femtosecond (fs) laser irradiation of resonant gold nanoparticles (NPs) under conditions that allow for E-field mediated cavitation and shockwave generation achieve an efficient plasmon-enhanced photonic microbial pathogen inactivation. We demonstrate that this NP-enhanced, physical inactivation approach is effective against a diverse group of pathogens, including both enveloped and non-enveloped viruses, and a variety of bacteria and mycoplasma. Photonic inactivation is wavelength-dependent and in the absence of plasmonic enhancement from NPs, negligible levels of microbial inactivation are observed in the near-infrared (NIR) at 800 nm. This changes upon addition of resonant plasmonic NPs, which provide a strong enhancement of inactivation of viral and bacterial contaminants. Importantly, the plasmon-enhanced 800 nm femtosecond (fs)-pulse induced inactivation was selective to pathogens. No measurable damage was observed for antibodies included as representative biologics under identical conditions.

研究の動機と目的

• 高温、反応性化学薬品、または紫外線を避ける、広範な微生物不活化法の開発。
• バイオテクノロジー分野におけるバイオロジカル物質の滅菌技術における現在の限界を解決すること。
• 共鳴する金ナノ粒子から生じるプラズモン強化ショック波が、機能的なバイオロジカル物質を損傷させずに病原体を特異的に不活化できるかどうかを調査すること。
• 膜を有するウイルスおよび非膜ウイルス、細菌、ミコプラズマを含む広範な病原体スケールで、この手法の有効性を評価すること。
• フェムト秒レーザー照射下での不活化の波長依存性および物理的メカニズムを特定すること。

提案手法

• 800 nmのフェムト秒（fs）レーザーパルスを共鳴する金ナノ粒子に照射し、局所的な電場強度を増幅する。
• 金ナノ粒子におけるプラズモン共鳴を活用して、近接場の電場を増幅し、気泡生成およびショック波形成を促進する。
• 微生物汚染物質の主な物理的不活化機構として、電場駆動気泡生成およびショック波生成を採用する。
• 生物学的分子への光傷害を最小限に抑えつつ、組織深部への浸透を可能にするために、800 nmの近赤外（NIR）光を用いる。
• 同一のレーザー条件下で、プラズモン性ナノ粒子を有する場合とない場合の微生物不活化効率を体系的に比較する。
• 治療用タンパク質との適合性を評価するため、抗体などの機能的バイオロジカル物質を含める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴する金ナノ粒子を用いたプラズモン強化フェムト秒レーザー照射によって、高温や化学的ダメージを伴わず、多様な微生物病原体を効率的に不活化できるか？
• RQ2 不活化メカニズムは照射波長に依存するのか、特に近赤外領域の800 nmにおいては？
• RQ3 共鳴する金ナノ粒子が存在することで、800 nmでのレーザー照射のみと比較して、微生物不活化が顕著に向上するか？
• RQ4 この手法は、抗体などの付随するバイオロジカル物質の構造的・機能的完全性を保持したまま、病原体を特異的に不活化できるか？
• RQ5 電場駆動気泡生成およびショック波生成が、観察された不活化効率に果たす役割は何か？

主な発見

• フェムト秒レーザーパルスを用いた800 nmでのプラズモン強化不活化により、膜付きおよび非膜ウイルス、細菌、ミコプラズマを含む多様な病原体で顕著な不活化が達成された。
• 共鳴する金ナノ粒子が存在しない場合、800 nmでの不活化はほとんど認められず、有効な不活化にはプラズモン強化が不可欠であることが確認された。
• 本手法は高い選択性を示し、同一の照射条件下でも、抗体やその他の機能的バイオロジカル物質に顕著な損傷は認められなかった。
• 不活化メカニズムは波長依存的であり、プラズモン励起ナノ粒子から生じる電場駆動気泡生成およびショック波生成によって駆動されている。
• 共鳴する金ナノ粒子により、高温、反応性化学薬品、紫外線を必要としない効率的かつ物理的な不活化が可能となった。
• 本手法は、バイオテクノロジーや医療分野における感受性の高いバイオロジカル物質の滅菌に適した、有望な非熱的・非化学的滅菌戦略を提供する。