Adv. Mater.：一種消除耐藥性感染的仿生非抗生素方法

【引言】

銅綠假單胞菌(P. aeruginosa)是革蘭氏陰性微生物，占全世界醫院感染10-20%。通常用于消除P. aeruginosa感染的抗生素劑包括β-內酰胺類、氨基糖苷類和氟喹諾酮類。此外，多粘菌素也可以用于治療多藥耐藥菌株，但是它們具有高毒性。由于細菌生物被膜的低滲透性和對藥物的外排作用，以及P. aeruginosa對常規抗生素劑具有的自身抗性，會導致多種并發癥、治療失敗甚至死亡。因此，迫切需要發展一種針對P. aeruginosa的非抗生素策略用于治療其感染。眾所周知，細菌等微生物使用其凝集素與宿主組織上的糖基發生特異性作用，已有研究表明P. aeruginosa表面凝集素LecA和LecB能夠介導其生物膜的形成。因此，這兩種凝集素是預防細菌定植和潛在生物膜形成的靶標。事實上，凝集素與蛋白質相互作用的三維的多價異質對于生物膜的調控至關重要，但目前在設計細菌抑制劑時卻很少考慮到。

【成果簡介】

近日，南開大學張新歌副教授與美國韋恩州立大學曹智強副教授合作開發了一種新型納米抗菌劑，其顯示出高效的生物膜抑制能力（高達90%）以及對P. aeruginosa殺滅能力（接近100%）。研究表明，這種性能優異的細菌抑制作用主要是歸因于50-100納米尺度結構上兩種類型糖模擬自然界的多價異質作用和特異性靶向P. aeruginosa上的LecA和LecB凝集素。這種新的阻斷方法能夠模擬碳水化合物-凝集素之間相互作用的自然強化機制，而顯著的殺菌效果則來源于金納米棒良好的光熱轉化能力。該設計策略還可用于進一步構建抗其他病原菌感染的抗菌劑。該成果以題為" A Biomimetic Non-Antibiotic Approach to Eradicate Drug-Resistant Infections "發表在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 納米抗菌劑的制備與性能

(a) AuNRs@pLAMA/pFEMA的合成；

(b) AuNRs@pLAMA/pFEMA的TEM圖像；

(c) AuNRs和AuNRs@pLAMA/pFEMA的紫外-可見光譜；

(d) AuNRs @ pLAMA/pFEMA溶液的溫度變化與NIR照射時間的函數關系圖。

圖2 材料濃度和粘附時間對細菌的粘附效果影響

(a) 與AuNRs@pLAMA、AuNRs@pFEMA和AuNRs@pLAMA/pFEMA孵化后P. aeruginosa 和 E. coli的CLSM圖像；

(b) 上清液的OD₆₀₀值同AuNRs@pLAMA/pFEMA納米綴合物與P. aeruginosa孵化后的濃度(b)的函數關系；

(c) 上清液的OD₆₀₀值同AuNRs@pLAMA/pFEMA納米綴合物與P. aeruginosa孵化的時間(c)的函數關系。

圖3 糖聚合物鏈長和類型對生物被膜抑制效果的影響

(a) AuNRs抑制生物膜形成；

(b) 含有不同長度的糖聚合物配體的AuNRs@pLAMA/pFEMA抑制生物膜形成。

圖4 含糖聚合物鏈長和糖類型對生物被膜形成影響的CLSM圖

(a) 有無AuNRs和AuNRs@ pLAMA/pFEMA處理的P. aeruginosa生物膜；

(b) 用不同濃度的AuNRs@pLAMA-50、AuNRs@pFEMA-50或AuNRs@pLAMA/pFEMA-50處理的P. aeruginosa生物膜。

圖5 納米綴合物對P. aeruginosa的體外抗粘附活性

(a) 材料抑制細菌粘附A549細胞的CLSM圖；

(b) 定量測量材料抑制細菌對細胞的粘附作用；

(c) AuNRs@pLAMA/pFEMA與A549細胞共培養后存活率。

圖6 AuNRs@pLAMA/pFEMA光熱殺菌的CLSM圖

(a) 在不同NIR照射時間下，用AuNRs@pLAMA/pFEMA處理后P. aeruginosa的CLSM活/死圖像（活細胞為綠色，死細胞為紅色）；

(b) 在有無近紅外激光照射條件下，用PBS、AuNRs和AuNRs@ pLAMA/pFEMA-50處理后P. aeruginosa的SEM圖像。

圖7 體內局灶性感染的光熱療法治療

(a) 小鼠的皮下膿腫造模；

(b) 注射材料光照后小鼠熱成像圖像；

(c) 小鼠的皮下組織細菌計數；

(d) 拍照記錄材料經光照處理小鼠感染部位照片。

圖8 納米綴合物治療后皮下膿腫的炎癥反應

(a) 各組感染組織的H&E染色、BAG3和TNF-α免疫組化染色顯微照片；

(b) 基于免疫組織化學染色產生的光密度對BAG3的定量分析；

(c) 基于免疫組織化學染色產生的光密度對TNF-α的定量分析。

圖9 體內抗生素耐藥細菌性肺炎的炎癥反應

(a) P. aeruginosa誘導的肺炎小鼠中細菌CFU的定量分析；

(b) P. aeruginosa誘導的肺炎小鼠中白細胞的定量分析；

(c) P. aeruginosa誘導的肺炎小鼠中總蛋白質的定量分析；

(d) P. aeruginosa誘導的肺炎小鼠中IL-1β的定量分析；

(e) P. aeruginosa誘導的肺炎小鼠中IL-6的定量分析；

(f) P. aeruginosa誘導的肺炎小鼠中TNF-α的定量分析。

圖10 肺部細菌留存和肺部炎癥感染病理圖

【小結】

在本文中，作者開發了一種非抗生素基的納米制劑，該制劑通過兩種類型的糖聚合物修飾三維結構的金納米棒。這種新型制劑分別通過凝集素阻斷和金納米棒的近紅外光誘導的光熱效應，實現對耐藥性肺炎的顯著療效。總之，新型仿生設計與光熱殺滅能力的有效結合，有望成為一種替代治療策略以對抗威脅性極強的抗藥性傳染病。

文獻鏈接：A Biomimetic Non-Antibiotic Approach to Eradicate Drug-Resistant Infections?(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201806024)

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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