[논문 리뷰] Resonant Gold Nanoparticles Achieve Plasmon-Enhanced Pan-Microbial Pathogen Inactivation in the Shockwave Regime

Mina Nazari, Min Xi외 13명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 28.

Laser-Ablation Synthesis of Nanoparticles참고 문헌 57인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 공명 금 나노입자가 파장 800 nm의 펌트세컨드 레이저에 의해 유도되는 충격파를 강화하여 다양한 병원성 미생물—바이러스, 박테리아, 미세플라즈마 포함—을 효율적으로 플라즈몬 매개로 비활성화할 수 있음을 보여준다. 이 과정에서 항체와 같은 공존하는 생물학적 물질은 손상되지 않는다. 이 방법은 800 nm의 가까운 적외선 빛을 사용하여 선택적이고 물리적인 비활성화를 가능하게 하며, 플라즈몬성 나노입자가 존재하지 않을 경우 거의 비활성화가 일어나지 않는다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고온, 반응성 화학물질, 또는 자외선을 피하는 광범위한 미생물 비활성화 방법을 개발하기 위해.
• 생물기술 분야에서 생물학적 제제를 위한 기존 멸균 기술의 한계를 해결하기 위해.
• 공명 금 나노입자가 유도하는 플라즈몬 강화 충격파가 기능성 생물학적 물질을 그대로 유지하면서 병원성 미생물만 선택적으로 비활성화할 수 있는지 조사하기 위해.
• -envelope 및 non-envelope 바이러스, 박테리아, 미세플라즈마 포함 다양한 병원성 미생물에 대해 이 방법의 효과성을 평가하기 위해.
• 펌트세컨드 레이저 조사 조건에서 비활성화의 파장 의존성과 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.

제안 방법

• 800 nm에서 펌트세컨드(fs) 레이저 펄스를 공명 금 나노입자에 조사하여 局부 전자기장 강화를 유도하기 위해.
• 금 나노입자의 플라즈몬 공명을 활용해 근접장 전기장 강도를 증폭하고, 기포 형성 및 충격파 생성을 유도하기 위해.
• 미생물 오염물질의 주요 물리적 비활성화 메커니즘으로 전기장 유도 기포 형성 및 충격파 생성을 적용하기 위해.
• 생물 분자의 광손상을 최소화하면서도 깊은 조직 침투를 가능하게 하기 위해 800 nm의 가까운 적외선(NIR) 빛을 사용하기 위해.
• 동일한 레이저 조건에서 플라즈몬성 나노입자가 존재하는지 여부에 따라 미생물 비활성화 효율을 체계적으로 비교하기 위해.
• 치료용 단백질과의 호환성과 선택성을 평가하기 위해 항체와 같은 功能성 생물학적 물질을 포함하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공명 금 나노입자를 사용한 플라즈몬 강화 펌트세컨드 레이저 조사가 고온 또는 화학적 손상 없이 다양한 병원성 미생물을 효율적으로 비활성화할 수 있는가?
• RQ2 특히 가까운 적외선 범위의 800 nm에서 조사 파장에 따라 비활성화 메커니즘이 달라지는가?
• RQ3 공명 금 나노입자가 존재할 경우, 800 nm에서 레이저 조사만으로 비활성화하는 것보다 미생물 비활성화 효율이 유의미하게 향상되는가?
• RQ4 이 방법은 공존하는 항체와 같은 기능성 생물학적 물질의 구조적 및 기능적 안정성을 유지하면서 병원성 미생물만 선택적으로 비활성화할 수 있는가?
• RQ5 관찰된 비활성화 효율에 기여하는 전기장 유도 기포 형성 및 충격파 생성의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 펌트세컨드 레이저 펄스를 사용한 800 nm에서의 플라즈몬 강화 비활성화로, envelope 및 non-envelope 바이러스, 박테리아, 미세플라즈마를 포함한 다양한 병원성 미생물에서 뚜렷한 비활성화 효과를 기록하였다.
• 공명 금 나노입자가 존재하지 않을 경우 800 nm에서 거의 비활성화가 관찰되지 않아, 효과적인 비활성화를 위해 플라즈몬 강화가 필수적임을 확인하였다.
• 이 방법은 항체나 다른 기능성 생물학적 물질에 대해 측정 가능한 손상을 유발하지 않아 높은 선택성을 보였다.
• 비활성화 메커니즘은 파장에 따라 달라지며, 플라즈몬적으로 자극된 나노입자가 유도하는 전기장 유도 기포 형성 및 충격파 생성에 의해 주도됨을 규명하였다.
• 공명 금 나노입자는 고온, 반응성 화학물질, 또는 자외선을 요구하지 않으면서도 효율적인 물리적 비활성화를 가능하게 하였다.
• 이 접근법은 생물기술 및 의료 분야에서 민감한 생물학적 제제에 적합한 비열, 비화학적 멸균 전략으로서 매우 유망한 것으로 평가된다.