銅の抗菌作用

銅とその合金（真鍮、青銅、白銅、銅ニッケル亜鉛など）は天然の抗菌材料です。古代文明は、19世紀に微生物の概念が理解されるよりずっと前から、銅の抗菌特性を利用していました。 ^{[1] [2] [3] [信頼できない医学的情報源？ ]}いくつかの銅医薬品に加えて、銅製の容器に入れられた水や銅製の輸送システムで輸送された水は、他の材料で含まれたり輸送されたりした水よりも品質が優れている（つまり、目に見えるスライムや生物付着の形成がほとんどないかまったくない）ことが何世紀も前に観察されました。^[4]

銅の抗菌特性については、現在も活発な調査が行われている。銅の抗菌作用の原因となる分子メカニズムは、集中的な研究の対象となっている。科学者たちはまた、公衆衛生を脅かすさまざまな微生物を破壊する銅合金の「接触面」の本質的な効能を積極的に実証している。^[5]

1852年、ヴィクトル・ブルクは銅を扱う人々は他の人たちよりもコレラによる死亡者数がはるかに少ないことを発見し、これを裏付ける広範な研究を行った。1867年、彼はフランス科学医学アカデミーに研究結果を発表し、銅を皮膚に塗るとコレラの予防に効果があることを伝えた。^[6]

オリゴダイナミック効果は、1893年に、比較的低濃度であっても、生きた細胞、藻類、カビ、胞子、真菌、ウイルス、原核微生物、真核微生物に対する金属 イオンの毒性効果として発見されました。 ^[7]この抗菌効果は、銅のイオンだけでなく、水銀、銀、鉄、鉛、亜鉛、ビスマス、金、アルミニウムのイオンでも示されます。

1973年、バテル・コロンバス研究所^[8]の研究者らは、包括的な文献、技術、特許調査を実施し、「銅および銅合金表面の抗菌性および殺菌性」の理解の歴史をたどりました。その結果、銅は、非常に少量でも、さまざまなカビ、菌類、藻類、有害な微生物を抑制する力があることが実証されました。1892年から1973年までの期間にわたるレビューで言及されている312の引用文献のうち、以下の観察結果は注目に値します。

• 銅は、Actinomucor elegans、Aspergillus niger、Bacterium linens、Bacillus megaterium、Bacillus subtilis、Brevibacterium erythrogenes、Candida utilis、Penicillium chrysogenum、Rhizopus niveus、Saccharomyces mandshuricus、およびSaccharomyces cerevisiaeを阻害します。濃度が 10 g/L を超える場合。^[9]
• Candida utilis（旧称Torulopsis utilis）は0.04 g/Lの銅濃度で完全に阻害されます。 ^[10]
• 結核菌は、 0.02～0.2 g/Lの濃度の銅の単純な陽イオンまたは複雑な陰イオンによって阻害されます。 ^[11]
• アクロモバクター・フィシェリとフォトバクテリウム・フォスフォレウムの増殖は金属銅によって阻害される。^[12]
• ゾウリムシの 細胞分裂は、インフゾリアと栄養培地を入れたペトリ皿の蓋の上に置かれた銅板によって抑制される^{。 [13]}
• ポリオウイルスはアスコルビン酸を含む銅に10分以内に不活化される。 ^[14]

その後の論文^{[15]では、銅の抗菌メカニズムのいくつかを調査し、銅の微生物に対する作用の有効性に関する120以上の調査を引用しました。著者らは、抗菌メカニズムは非常に複雑であり、}細胞内と細胞間の間質の 両方でさまざまな方法で起こると指摘しました。

さまざまな研究者によって指摘されている分子メカニズムの例には、次のものがあります。

• 銅はタンパク質の3次元構造を変化させ、タンパク質が正常な機能を果たせなくする。その結果、細菌やウイルスが不活性化される。^[15]
• 銅錯体はウイルスを不活性化するラジカルを形成する。^{[16] [17]}
• 銅はタンパク質の硫黄またはカルボキシレート含有基やアミノ基に結合して酵素の構造や機能を破壊する可能性がある。^[18]
• 銅は亜鉛や鉄などの他の必須元素に干渉する可能性があります。
• 銅はスーパーオキシドラジカルの有害な活性を促進する。部位特異的な高分子に対する繰り返しの酸化還元反応によりHO•ラジカルが生成され、それによって標的部位に「多重ヒット損傷」を引き起こす。^{[19] [20]}
• 銅は脂質と相互作用して脂質の過酸化を引き起こし、細胞膜に穴を開け、細胞の完全性を損なう可能性があります。^[21]これにより必須溶質が漏れ出し、乾燥効果をもたらす可能性があります。
• 銅は大腸菌細胞の呼吸鎖を損傷します。^[22]また、細胞代謝の障害と関連しています。^[23]
• 腐食が速いほど微生物の不活性化も早くなります。これは抗菌作用の原因であると考えられている銅イオンCu2+の利用可能性が増すためと考えられます。 ^[24]
• H5N1鳥インフルエンザ株および2009年のH1N1（豚インフルエンザ）株とほぼ同一のインフルエンザ株H1N1の不活化実験において、研究者らは銅の抗菌作用がウイルスの全体構造を攻撃し、広範囲に影響を及ぼす可能性があるという仮説を立てた。^[25]
• 微生物は、特定の重要な化学反応を駆動するために銅を含む酵素を必要とします。しかし、過剰な銅は微生物のタンパク質や酵素に影響を与え、その活動を阻害する可能性があります。研究者は、過剰な銅は細胞内と細胞間の隙間の両方で細胞機能を阻害する可能性があり、おそらく細胞の外膜に作用すると考えています。^[26]

現在、研究者たちは銅の最も重要な抗菌メカニズムは次の通りであると考えています。

• 細胞内の銅濃度が上昇すると、酸化ストレスと過酸化水素の生成を引き起こします。このような状況下では、銅はいわゆるフェントン型反応（細胞に酸化ダメージを与える化学反応）に関与します。
• 過剰な銅は微生物の膜の完全性の低下を引き起こし、カリウムやグルタミン酸などの特定の必須細胞栄養素の漏出につながります。これにより乾燥が起こり、細胞が死滅します。
• 銅は多くのタンパク質機能に必要ですが、銅合金表面のように過剰な状況では、銅は機能に銅を必要としないタンパク質に結合します。この「不適切な」結合により、タンパク質の機能が失われ、タンパク質が非機能的な部分に分解されます。

これらの潜在的なメカニズムやその他のメカニズムは、世界中の学術研究機関によって継続的に研究されています。

銅合金の表面には、多くの微生物を破壊する固有の特性があります。公衆衛生、特に感受性の高い患者がいる医療環境の保護を目的として、過去10年間に、大腸菌O157 :H7、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA）、ブドウ球菌、クロストリディオイデス・ディフィシル、インフルエンザAウイルス、アデノウイルス、真菌を破壊する銅の効能に関する査読済みの抗菌効能研究が多数実施されました。^[27] ステンレス鋼も、今日の医療環境において重要な表面材料であるため調査されました。ここで引用した研究と米国環境保護庁が指揮した他の研究の結果、2008年には274種類の銅合金が公衆衛生上の利点がある認定抗菌材料として登録されました。

大腸菌O157:H7 は、強力で感染力の強い、ACDP (英国危険病原体諮問委員会) 危険度グループ 3 の食品媒介性および水媒介性病原体です。この細菌は、感染者に下痢、激しい痛み、吐き気を引き起こす強力な毒素を生成します。重篤な感染症の症状には、溶血性大腸炎 (血性下痢)、溶血性尿毒症症候群 (腎臓病)、および死亡が含まれます。大腸菌O157:H7 は、発生率の増加と、14 歳までの子供、高齢者、免疫不全の人が最も重篤な症状を呈するリスクがあるため、公衆衛生上の重大な脅威となっています。

最近の研究では、銅合金の表面が大腸菌O157:H7を殺すことが示されています。 ^{[24] [28]銅上では、}大腸菌の99.9%以上がわずか1～2時間で死滅します。ステンレス鋼の表面では、微生物は数週間生き残ることができます。

99.9%銅含有合金（C11000）上での大腸菌O157:H7の殺菌結果から、この病原菌は室温（20℃）で90分以内に急速にほぼ完全に殺菌される（殺菌率99.9%以上）ことが実証されている。 ^[24]低温（4℃）では、270分以内に大腸菌O157:H7の99.9%以上が殺菌される。99 %～100%銅含有銅合金（C10200、C11000、C18080、C19700など）では、室温での大腸菌O157:H7の殺菌は数分以内に始まる。[ ^{28]低温では、不活性化プロセスには約1時間長くかかる。270分経過後もステンレス鋼上で生存可能な}大腸菌O157:H7の量の有意な減少は見られない。

研究では、25種類の銅合金に対する大腸菌O157:H7の殺菌効果を調べ、抗菌活性、耐腐食性/耐酸化性、および加工特性の最良の組み合わせを提供する合金を特定しました。 ^{[28] [29] [30]}銅の抗菌効果は、テストされたすべての銅合金に内在していることがわかりました。以前の研究と同様に、^{[31] [32]}ステンレス鋼（UNS S30400）には抗菌性は見られませんでした。また、以前の研究で確認されているように、^{[31] [32]銅合金上の}大腸菌O157:H7の減少率は、低温よりも室温で速いです。

銅合金の細菌殺菌率は、合金中の銅含有量が増加するにつれて増加しました。^{[29] [30]}これは銅が本来持つ抗菌性のさらなる証拠です。

数十年前、ドアノブや押し板によく使われていた真鍮も殺菌効果を示していますが、純銅よりもやや長い時間枠内でした。 ^[28]試験した9つの真鍮はすべて、20℃で60～270分以内にほぼ完全に殺菌しました（殺菌率99.9％以上）。多くの真鍮は、4℃で180～360分以内にほぼ完全に殺菌しました。

4 つのブロンズにおける全微生物死滅率は、20 °C では 50 ～ 270 分、4 °C では 180 ～ 270 分の範囲で変化しました。

銅ニッケル合金における大腸菌O157の殺菌率は、銅含有量の増加とともに増加しました。6 種類の合金のうち 5 種類では、105 ～ 360 分後に室温で細菌数がゼロになりました。完全な殺菌には至りませんでしたが、合金 C71500 は 6 時間のテストで 4 ログの低下を達成し、生きた微生物の数が 99.99% 減少しました。

銅合金とは異なり、ステンレス鋼（S30400）は大腸菌O157:H7に対していかなる殺菌特性も示さない。 ^[28]医療業界で最も一般的な接触面材料の1つであるこの材料は、有毒な大腸菌O157:H7が数週間生存し続けることを可能にする。28日間の調査後でも、細菌数がほぼゼロになることは観察されない。落射蛍光写真では、銅合金C10200上では大腸菌O157:H7は20℃でわずか90分後にはほぼ完全に死滅するが、ステンレス鋼S30400上では相当数の病原体が残ることが実証されている。^[25]

メチシリン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA）は、ベータラクタム系抗生物質に耐性があるため、危険な細菌株です。^{[33] [34]}最近の細菌株であるEMRSA-15とEMRSA-16は、伝染性が高く、耐久性があります。これは、院内MRSA感染症の発生率を減らすことに関心がある人々にとって極めて重要です。

2008 年、米国環境保護庁(EPA)によって特に義務付けられた広範な研究を評価した後、銅合金が 2 時間以内に MRSA の 99.9% 以上を殺菌することを認める登録承認が EPA によって 2008 年に付与されました。

その後、サウサンプトン大学（英国）で行われた研究では、銅と銅以外のいくつかの独自コーティング製品のMRSA殺菌効果を比較しました。^{[35] [36]} 20℃では、銅合金C11000上のMRSA菌の減少は劇的で、75分以内にほぼ完了します（殺菌率99.9%以上）。しかし、トリクロサンベースの製品も2種類の銀ベースの抗菌処理（Ag-AとAg-B）も、MRSAに対して有意な効果を示さなかった。ステンレス鋼S30400には抗菌効果が見られなかった。

2004年、サウサンプトン大学の研究チームは、銅がMRSAを阻害することを初めて明確に実証しました。^[37]銅合金（C19700（銅99%）、C24000（銅80%）、C77000（銅55%））では、室温でそれぞれ1.5時間、3.0時間、4.5時間後に生存率が大幅に低下しました。銅合金の含有量が多いほど、抗菌効果が早く現れました。ステンレス鋼には殺菌効果はありませんでした。

Leyland Nigel S.、Podporska-Carroll Joanna、Browne John、Hinder Steven J.、Quilty Brid、Pillai Suresh C. (2016)。「院内感染と闘うための、高効率のF、CuドープTiO2抗菌可視光活性光触媒コーティング」。Scientific Reports。6 ： 24770。Bibcode ： 2016NatSR  ... 624770L。doi：10.1038 / srep24770。PMC 4838873。PMID 27098010。 {{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)

クロストリディオイデス・ディフィシルは嫌気性細菌であり、特に先進国において、院内下痢感染症など、生命を脅かす可能性のある疾患の主な原因となっている。^[38] クロストリディオイデス・ディフィシル胞子は、表面上で最大5か月生存することができる。^[39]この病原体は、病院環境で医療従事者の手によって頻繁に伝染する。クロストリディオイデス・ディフィシルは現在、英国で主要な院内感染症であり、^[40]米国ではMRSAと並んで院内感染症を引き起こす最も一般的な微生物である。 ^{[41]これは一連の腸の健康合併症の原因であり、しばしば総称して}クロストリディオイデス・ディフィシル関連疾患（CDAD）と呼ばれる。

クロストリディオイデス・ディフィシルに対する様々な銅合金の抗菌効果が最近評価されました。^[42]クロストリディオイデス・ディフィシル胞子と栄養細胞の生存率は、銅合金C11000（銅99.9%）、C51000（銅95%）、C70600（銅90%）、C26000（銅70%）、およびC75200（銅65%）で研究されました。ステンレス鋼（S30400）を実験対照として使用しました。銅合金はクロストリディオイデス・ディフィシル胞子と栄養細胞の両方の生存率を著しく低下させました。C75200では、1時間後にほぼ完全な死滅が観察されました（ただし、6時間後には総クロストリディオイデス・ディフィシル が増加し、その後はゆっくりと減少しました）。 C11000 および C51000 では、3 時間後にほぼ完全な死滅が観察され、その後 C11000 では 24 時間、C51000 では 48 時間で完全な死滅が観察されました。C70600 では、5 時間後にほぼ完全な死滅が観察されました。C26000 では、48 時間後にほぼ完全な死滅が達成されました。ステンレス鋼では、72 時間 (3 日間) の暴露後も生存微生物の減少は観察されず、168 時間 (1 週間) 以内には有意な減少は観察されませんでした。

インフルエンザは、風邪を引き起こすウイルス病原体とは異なるウイルス病原体による感染症です。インフルエンザの症状は風邪よりもはるかに重篤で、発熱、喉の痛み、筋肉痛、ひどい頭痛、咳、脱力感、全身の不快感などがあります。インフルエンザは肺炎を引き起こす可能性があり、特に幼児や高齢者では致命的となる場合があります。

銅上で1時間培養したところ、活性インフルエンザAウイルス粒子は75%減少しました。^{[43] [44]} 6時間後、銅上の粒子は99.999%減少しました。インフルエンザAウイルスはステンレス鋼上で大量に生存していることがわかりました。

表面がウイルス粒子で汚染されると、指は最大7つの他の清潔な表面に粒子を移す可能性があります。^[45]銅にはインフルエンザAウイルス粒子を破壊する能力があるため、このウイルス病原体の交差汚染を防ぐのに役立ちます。

アデノウイルスは、呼吸器や尿路、目、腸の組織内膜に感染するウイルスのグループです。アデノウイルスは、小児の急性呼吸器感染症の約 10% を占めています。^{[出典が必要]}これらのウイルスは、下痢の頻繁な原因です。

最近の研究では、銅（C11000）上で1時間以内にアデノウイルス粒子の75％が不活化されました。6時間以内に、アデノウイルス粒子の99.999％が不活化されました。6時間以内に、感染性アデノウイルス粒子の50％がステンレス鋼上で生き残りました。^[44]

銅の抗真菌効果は、ヒト感染症を引き起こす可能性のある以下の生物に対してアルミニウムと比較されました：アスペルギルス属、フザリウム属、ペニシリウム・クリソゲナム、アスペルギルス・ニガー、カンジダ・アルビカンス。^[46]銅表面ではアルミニウムと比較して真菌胞子の死滅が増加することが確認されました。アルミニウムクーポン上ではアスペルギルス・ニガーの^{増殖が見られました[説明が必要]}銅クーポン上およびその周囲では増殖が抑制されました。

• 抗菌銅合金タッチ面
• 養殖における銅合金
• 銅銀イオン化
• 銀の医療用途
• 微量効果