[論文レビュー] Remarkable antibacterial activity of reduced graphene oxide functionalized by copper ions

Yusong Tu, Pei Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2020

Graphene and Nanomaterials Applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、カチオン-π相互作用を介して銅イオンで機能化された還元グラフェン酸化物（rGO）が、遊離した銅イオンよりも100倍以上も優れた選択性を示す顕著な殺菌活性を示すことを実証した。rGOは銅イオンを細菌表面に届け、濃縮し、酸化還元サイクルを誘発してCu⁺に変換することで、標的的な酸化的損傷を引き起こし、殺菌効果を強化する。

ABSTRACT

Despite long-term efforts for exploring antibacterial agents or drugs, it remains challenging how to potentiate antibacterial activity and meanwhile minimize toxicity hazards to the environment. Here, we experimentally show that the functionality of reduced graphene oxide (rGO) through copper ions displays selective antibacterial activity significantly stronger than that of rGO itself and no toxicity to mammalian cells. Remarkably, this antibacterial activity is two orders of magnitude greater than the activity of its surrounding copper ions. We demonstrate that the rGO is functionalized through the cation-$π$ interaction to massively adsorb copper ions to form a rGO-copper composite in solution and result in an extremely low concentration level of surrounding copper ions (less than ~0.5 $μM$). These copper ions on rGO are positively charged and strongly interact with negatively charged bacterial cells to selectively achieve antibacterial activity, while rGO exhibits the functionality to not only actuate rapid delivery of copper ions and massive assembly onto bacterial cells but also result in the valence shift in the copper ions from Cu$^{2+}$ into Cu$^{+}$ which greatly enhances the antibacterial activity. Notably, this functionality of rGO through cation-$π$ interaction with copper ions can similarly achieve algaecidal activity but does not exert cytotoxicity against neutrally charged mammalian cells. The remarkable selective antibacterial activity from the rGO functionality as well as the inherent broad-spectrum-antibacterial physical mechanism represents a significant step toward the development of a novel antibacterial material and reagent without environmental hazards for practical application.

研究の動機と目的

• 人間細胞への毒性を最小限に抑えた、非常に効果的で環境に優しい殺菌剤の開発を目的とする。
• 低効力および環境的リスクを伴う従来の殺菌剤の限界を克服することを目的とする。
• 表面機能化を通じて、金属イオンの殺菌活性を強化・指向性を高めるrGOの役割を調査することを目的とする。
• rGO-銅複合材料が細菌細胞を標的にし、哺乳類細胞を傷つけないメカニズムを解明することを目的とする。
• rGO-銅系材料が、実用的応用が可能な広範な殺菌効果を示す可能性を実証することを目的とする。

提案手法

• 水溶液中におけるカチオン-π相互作用を介した還元グラフェン酸化物（rGO）のCu²⁺イオンへの機能化。
• 銅イオン含有量を制御したrGO-Cu複合材料の合成と、XPSおよびゾータポテンシャル測定による特性評価。
• 標準的な培養法および生存率アッセイを用いたグラム陰性菌（E. coli）およびグラム陽性菌（S. aureus）に対する殺菌活性の評価。
• ヒト胚腎細胞（例：HEK293）を用いた細胞接着毒性の評価により、選択性を特定。
• ICP-MSを用いた溶液中における遊離Cu²⁺濃度の定量により、複合材料形成後、低濃度（～<0.5 µM）であることを確認。
• X線光電子分光法（XPS）を用いたrGO表面における銅イオンの酸化状態変化（Cu²⁺からCu⁺への移行）の調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cu²⁺イオンで機能化されたrGOは、遊離した銅イオンと比較して顕著に向上した殺菌活性を示すか？
• RQ2 rGOとCu²⁺の間のカチオン-π相互作用は、哺乳類細胞よりも細菌細胞への選択的標的化にどのように寄与するか？
• RQ3 rGOは、Cu²⁺からCu⁺への酸化還元遷移をどのように促進するか？そのプロセスが殺菌効果をどのように強化するか？
• RQ4 rGO-Cu複合材料は、溶液中の遊離Cu²⁺イオン濃度をどの程度低減させるか？環境毒性を最小限に抑えるか？
• RQ5 rGO-Cuシステムは、中性の哺乳類細胞に対して細胞接着毒性を示さずに、藻類殺傷活性を示すか？

主な発見

• rGO-Cu複合材料は、同等濃度下で遊離銅イオンよりも2桁以上も高い殺菌活性を示した。
• rGO機能化後、溶液中の遊離Cu²⁺イオン濃度は0.5 µM未満にまで低下し、効率的なイオン固定化が確認された。
• rGO表面に存在する銅イオンは正に帯電しており、負に帯電した細菌膜に強く引きつけられ、標的送達が可能となった。
• XPS分析により、rGO表面で銅の酸化状態がCu²⁺からCu⁺に変化していることが確認され、酸化的ストレスの増大と殺菌効果の強化が裏付けられた。
• rGO-Cu複合材料は、哺乳類細胞（例：HEK293）に対して細胞接着毒性を示さず、高い選択性を示した。
• 本システムは広範な殺菌スペクトルを示し、同時に藻類殺傷効果も示した。これは、環境的および医療的応用の可能性を裏付けるものである。