國家納米科學中心Adv. Mater.：一種應對細菌感染的“活體原位重組裝”治療策略

【引言】

納米材料和納米技術在最近幾年得到了科學界的重視，其在各個領域的應用都越來越廣泛。由于納米材料的特殊的尺寸效應，納米顆粒、納米管以及各種納米技術在生物醫學方面的應用正蓬勃發展，勢頭十足。迄今為止，已經開發了許多納米系統作為抗生素替代品用于細菌感染的治療。然而，這些先進的系統由于其非目標聚集性和隨后的副作用，因此受到限制。

【成果簡介】

近日，國家納米科學中心王浩研究員和喬增瑩副研究員（共同通訊作者）等人論證了病理驅動的自組裝納米結構，由于組裝誘導保留（AIR）效應，其在目標位置顯示出超強的積累與保留能力。受此效應的啟發，本論文論述了一種新的抗菌策略——“活體原位重組裝”策略，在酶的輔助下，抗菌活性納米粒子由球形轉變為纖維結構，從而在細菌感染部位同時實現長期積累與增強抗菌的功效。相關成果以題為“An “On-Site Transformation” Strategy for Treatment of Bacterial Infection”發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 CPC的自組裝示意圖和酶誘導形態轉變的原理

a）i）CPC自組裝到含PEG殼層的納米顆粒中；ii）在明膠酶存在下裂解可降解的肽，從而剝去保護殼層；iii）疏水/親水平衡的破壞導致殼聚糖的鏈鏈氫鍵相互作用，自發促進纖維結構的自組裝重組；

b）i）在感染性微環境中，積累在感染位點的CPC納米顆粒被由明膠酶陽性細菌產生的明膠酶切割，引發原位形態轉化；ii）纖維狀納米結構在感染組織內原位產生，使納米材料得以積聚且其保留時間延長；iii）外露抗菌肽的納米纖維顯示出高效的抗菌能力。

圖2 CPC-1的可變性特征

a）CPC-1在酶誘導下的形態轉化示意圖；

b）將CPC-1納米粒子浸入明膠酶（10μg/mL）三羥甲基氨基甲烷緩沖溶液（pH 7.4）一段時間后，每個時間段代表性的TEM圖像；比例尺，100nm；

c）在PB溶液（10×10^-3 M，pH 7.4）中殼聚糖（0.5 mg/mL），KLAK肽和纖維CPC-3（100×10^-6 M，基于KLAK）的CD光譜。

圖3 CPCs的合成方案

R1代表抗菌肽KLAK；共軛物命名為CPC-1和CPC-2；當R2表示EPEG（具有PEG2000末端的明膠酶切割肽（GPLGVRGC））和NPEG（具有PEG2000末端的對照肽（GPMGMRGC））時。合成物CPC-3是用于模擬明膠酶裂解CPC-1后的產物。

圖4 體外CPCs與細菌的相互作用?

a） 用CPC-1和CPC-2處理過的金黃色葡萄球菌溶液的渾濁度；a） 用CPC-1和CPC-2處理過的金黃色葡萄球菌溶液的渾濁度；

b） 將CPC-3溶液注入石英晶體微天平腔室后，其典型的頻率變化曲線。Δf_B和Δf_C分別表示細菌和CPC的頻率變化；

c） 將CPC-2的不同溶液注入石英晶體微天平腔室后，頻率變化的典型曲線。Δf_B和Δf_C分別表示細菌和CPC的頻率變化；

d）每單位細菌的吸附質量η=Δf_C/Δf_B=Δm_C/Δm_B，其中Δm_C是CPC的吸附質量，Δm_B是細菌的吸附質量；

e）具有不同PEG接枝比例的熒光標記的CPC-1和金黃色葡萄球菌在靜態培養物中培養1小時的熒光圖像。細菌的熒光強度與CPC-1的EPEG接枝率成反比。比例尺，10μm；

f）Hill指數，n=5，表明纖維CPC-1與細菌表面有強烈的多位點結合；?

g）CPC-3對細菌的多位點結合模式示意圖；?

h）用球形CPC-2和纖維CPC-3培養1小時的金黃色葡萄球菌的SEM圖像。黃色和紅色箭頭分別表示納米顆粒和納米纖維。比例尺，500 nm。

圖5 體外CPCs的抗菌活性?

a）培養在明膠酶陽性細菌（革蘭氏陽性菌，金黃色葡萄球菌）的CPC-1（頂部）和CPC-2（底部）殺傷效力的2D和3D共聚焦顯微鏡圖像。 比例尺，10μm；

?b）用CPC-1（頂部）和CPC-2（底部）（300×10^-6 M）培養6-8小時的金黃色葡萄球菌的形態，箭頭表示細菌膜的損傷，塌陷和融合。 比例尺，2μm。

圖6體內CPCs的累積、保留及其抗菌性?

a）注射①PBS后的金黃色葡萄球菌的體內近紅外熒光成像，②CPC-2,③CPC-1。使用PBS緩沖溶液（pH 7.4）作為對照。白色的圓圈表示感染部位；

b）感染部位在不同時間的平均熒光信號。紅色箭頭表示在第0天，第1天，第2天和第3天進行注射；

c）注射PBS，CPC-2和CPC-1的小鼠感染組織切片的CLSM圖像。箭頭表示纖維狀熒光信號。插入圖是白色箭頭區域的高倍率圖像。比例尺，100×10^-6m；

d）與用CPC-2（下方插入圖）處理后的感染部位相比，尾靜脈內注射8天CPC-1后，在金黃色葡萄球菌感染部位形成的納米纖維的TEM圖像。箭頭表示纖維結構。比例尺，1μm。在感興趣區域獲取的相應的能量色散圖在圖d（上方插入圖）中由紅色星標記；

e）由PBS，CPC-2和CPC-1后處理8天的組織和主要器官的體外近紅外熒光圖像；

f）尾靜脈注射8天后主要器官的平均熒光信號。平均熒光信號值表示為平均值±S.D（N=6）。星號（**）表示**P<0.01的統計學意義；g）在第5天對在感染區域存活的金黃色葡萄球菌進行量化。插入圖表示注射有PBS，CPC-1和CPC-2的小鼠感染組織的細菌菌落。誤差線由每組5只小鼠確定。

【小結】

王浩研究員等人開發了一種含有明膠酶裂解EPEG和抗菌肽KLAK的CPCs，其在反應過程中自組裝成納米顆粒。CPC-1的重組通過暴露的KLAK和細菌膜之間的多位點協同靜電結合模型，顯著提高了納米材料與細菌之間的相互作用，抗菌功效明顯增強。與不變型CPC-2相比，可轉化的CPC-1的保留時間更長且體內抗菌性能更佳。

文獻鏈接：An “On-Site Transformation” Strategy for Treatment of Bacterial Infection （Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201703461）

通訊作者介紹：王浩，中科院百人計劃研究員，博士生導師。2000年畢業于南開大學化學系，并被保送南開大學化學系直接攻讀博士學位，從事超分子自組裝體系的構筑及其功能的研究，2005年獲得博士學位。同年獲得德國洪堡獎學金，在德國維爾茨堡大學（University of Wurzburg）進行可控組裝光學活性分子研究。2007年在美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）醫學院和加州納米系統研究院（CNSI）進行博士后研究，主要從事納米材料的制備與表征及其在癌癥診斷與治療中的應用。 2011年受聘于國家納米科學中心，中科院納米生物效應與安全性重點實驗室。主要從事自組裝高分子納米生物材料研究。發表JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等文章>80篇，參編5部專著或章節，申請美國專利2項，國內專利16項。到目前為止主持中科院百人計劃1項，國家重點基礎研究發展計劃（973）課題1項，國家自然科學基金和北京市自然科學基金等。

王浩課題組圍繞醫用高分子材料領域的發展趨勢和針對存在的重要科學問題，以新型醫用高分子材料的組裝與功能化為中心，開展了深入、系統的應用基礎研究，取得了一系列具有創新性以及特色的重要研究成果。主要從材料合成、材料篩選、可控組裝和疾病診療四個層次展開。課題組項目成員由王浩研究員（項目負責人）和副研究員喬增瑩、王磊、李莉莉、楊培培組成。近年來發表多篇重要學術論文。

本文由材料人編輯部生物材料學術組昝菲供稿，材料牛編輯整理。

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