AFM: 內置抗真菌藥物的金屬-有機框架用于根除白色念珠菌生物膜

【研究背景】

據估計，生物膜感染占所有人類微生物感染的60%以上。特別是真菌生物膜相關感染導致的死亡率不斷上升，其中念珠菌是最具致病性的菌種。目前，念珠菌病的治療效果很差，而根除真菌生物膜的抗真菌藥物僅包含以下三類：多烯類、唑類和棘白菌素類。更嚴重的是各種抗真菌藥物的耐藥性也逐漸被報道和記載。據研究表明念珠菌耐藥性主要是由生物膜細胞外基質對抗真菌藥物的隔離所導致。隨著越來越多的患者因復雜的手術、器官移植或免疫反應的抑制/降低而更易受真菌感染，因此，對開發和尋找新的抗真菌策略的需求非常迫切。近年來，納米載體已成為有效的抗菌劑載體用于消除細菌生物膜。其中，智能、pH適應和隱形的納米載體在生物膜的酸性環境能通過載體與帶負電荷細菌的靜電雙層相互作用以增強其在細菌生物膜中的滲透和積累。因此，設計和開發能負載抗真菌藥物的智能納米載體以穿透和清除真菌生物膜具有重要的研究價值。

【成果簡介】

近日，南開大學的史林啟教授、蘇州大學劉勇副研究員、中國醫學科學院放射醫學研究所黃帆副研究員和和荷蘭格羅寧根大學Henk J. Busscher教授聯合合作開發了一種內置伏立康唑的2-甲基咪唑酸鋅骨架（V-ZIF）。Zn²⁺與伏立康唑的配位結合可減少伏立康唑的意外泄漏，實現了伏立康唑的零級釋放動力學，有助于穿透白色念珠菌生物膜，并防止念珠菌聚集產生更好的分散。然而，伏立康唑一旦在酸性白念珠菌生物膜中積累，就會從V-ZIF中分離，造成膜損傷和殺死寄居的真菌。此外，在小鼠模型中，V-ZIFs中比伏立康唑更能消除由白色念珠菌引起的開放性傷口感染且對主要器官幾乎沒有副作用。因此，V-ZIFs有望成為一種受歡迎的抗真菌藥物用于治療真菌生物膜。該文章近日以題為“Antifungal-Inbuilt Metal–Organic-Frameworks Eradicate Candida albicans Biofilms”發表在知名期刊Adv. Funct. Mater上。

【圖文導讀】

流程圖、V-ZIF的制備示意圖以及V-ZIF滲透到開放性傷口的真菌生物膜內并在其酸性環境中釋放其內置的伏立康唑以破壞生物膜過程。

圖一、不添加伏立康唑的ZIF-8的理化性質

（a）不同類型ZIF置于10%稀釋胎牛血清和pH值為7.4的10×10^?3 m磷酸鉀緩沖液中的直徑變化。

（b）不同類型ZIF置于10%稀釋胎牛血清和pH值為7.4的10×10^?3 m磷酸鉀緩沖液中Zeta電位變化。

（c）不同類型ZIF的TEM顯微照片。

（d）V-ZIF-II的TEM-EDS元素圖。

（e）ZIF-8和V-ZIF-II的元素組成

圖二、V-ZIFs的結構與組成表征

（a）ZIF-8，V-ZIF-I和V-ZIF-II的XRD圖譜。

（b）伏立康唑溶液、ZIF-8、V-ZIF-I和V-ZIF-II的紅外吸收光譜。

（c）伏立康唑溶液、ZIF-8、V-ZIF-I和V-ZIF-II的TGA曲線。

（d）ZIF-8，V-ZIF-I和V-ZIF-II的N₂-吸附等溫線。

（e）ZIF-8，V-ZIF-I和V-ZIF-II的孔寬分布。

（f）V-ZIF-I和V-ZIF-II分別在pH=5.0和pH=7.4的PBS中對伏立康唑的累積釋放曲線。

?圖三、不同分子量的單分子膠束粒徑及cryo-TEM圖像

（a）各種單分子膠束的粒徑分布。

（b）G5-g-PBLG400膠束的放大的DLS直方圖。

（c）由DLS測定的單分子膠束的直徑和分散性。

（d）G5-g-PBLG400膠束在DMF中的低溫透射電鏡圖像。?

圖四、紅色熒光標記的RhB-ZIF-8在白色念珠菌GB1/2生物膜中的穿透能力

（a）pH 7.4時3D-CLSM圖像顯示的RhB-ZIF-8在綠色熒光標記的白色念珠菌生物膜中的滲透和積累。

（b）pH 5.0時3D-CLSM圖像顯示，在（a）pH 7.4和（b）pH 5.0時，RhB-ZIF-8在綠色熒光白色念珠菌生物膜中的滲透和積累。

（c）pH值為7.4和5.0時，白色念珠菌生物膜的熒光強度與生物膜深度的函數關系。?

圖五、白色念珠菌GB1/2生物膜的體外殺滅能力。

（a）pH 5.0時，暴露于不同ZIF-8、伏立康唑溶液和V-ZIF-II后白色念珠菌生物膜的相對生物量。

（b）pH 7.4時，暴露于不同ZIF-8、伏立康唑溶液和V-ZIF-II后白色念珠菌生物膜的相對生物量。

（c）pH 5.0時，暴露于不同ZIF-8、伏立康唑溶液和V-ZIF-II后每平方厘米的白色念珠菌生物膜中的細菌含量。

（d）pH 7.4時，暴露于不同ZIF-8、伏立康唑溶液和V-ZIF-II后每平方厘米的白色念珠菌生物膜中的細菌含量。

（e）在pH 7.4和pH 5.0條件下，在伏立康唑溶液和V-ZIF-II中暴露6小時后的白色念珠菌生物膜（AO/EB染色）的3D-CLSM圖像。

（f）在pH 7.4和pH 5.0條件下，伏立康唑溶液和V-ZIF-II穿透色念珠菌生物膜深度的函數分布。

圖六、體內抗真菌療效評價

（a）小鼠真菌感染和治療的流程。

（b）在7天的治療期間，不同時間點感染傷口部位的照片。

（c）在治療過程中，不同時間點傷口大小與第0天的傷口大小的百分比。

（d）小鼠傷口組織中細菌的含量。

（e）傷口組織的H&E和Masson染色

【結論展望】

在這項研究中，作者通過Zn²⁺與伏立康唑的配位結合，成功地制備了內置伏立康唑（抗真菌藥物）的金屬有機骨架（V-ZIF）。配位結合使V-ZIF具有良好的穩定性，并實現了抗真菌藥物的零級釋放動力學。白色念珠菌生物膜內的酸性環境能觸發伏立康唑與金屬有機骨架分離進而實現其釋放。V-ZIF能穿透白色念珠菌生物膜和阻止白色念珠菌聚集而產生更好的擴散進而導致真菌細胞膜損傷和白念珠菌死亡。在白色念珠菌感染的開放性傷口中，V-ZIF表現出良好的抗真菌性能和促進傷口愈合的能力且無明顯副作用。此外，將抗真菌藥物內置于金屬-有機框架中的策略也適用于其他含給電子結構域的藥物，如唑類、二嗪類和吡啶類，以改善其藥代動力學性能并減少其副作用。文獻鏈接： Antifungal-Inbuilt Metal–Organic-Frameworks Eradicate Candida albicans Biofilms ( Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000537)

課題組簡介：

史林啟，南開大學化學學院教授，博士生導師，現為藥物化學生物學國家重點實驗室副主任、功能高分子教育部重點實驗室主任、南開大學高分子化學研究所所長。2004年入選教育部“新世紀人才支持計劃”，2006年獲國家杰出青年基金支持，2012年為教育部“長江學者創新團隊”負責人，2018獲“享受國務院政府特殊津貼專家”稱號。《離子交換與吸附》副主編，《高分子學報》編委。研究方向為多功能納米藥物載體、自組裝生物活性材料等，以第一作者或通訊在Nature Nanotechnology, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Sci., Macromolecules等雜志發表論文170余篇，論文被引用4000余次，出版專著3部，授權專利3項，三項成果實現產業化。

劉勇，蘇州大學功能納米與軟物質研究員副研究員。主要研究方向為：1、氨基酸NCA的可控聚合以及聚多肽的高性能化；2、二級結構可調控的聚多肽及其在藥物遞送方面的應用；3、納米仿生結構的自組裝構筑與多功能化。自2013年以來，已在化學、材料和生物醫學等各類高水平期刊上發表了20余篇學術論文，其中部分第一作者或通訊作者文章發表在Chem. Soc. Rev., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Adv. Health. Mater., Acta Biomater., Nano research等雜志上。

本文由大兵哥供稿。

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