Adv. Mater.：一种消除耐药性感染的仿生非抗生素方法

【引言】

铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)是革兰氏阴性微生物，占全世界医院感染10-20%。通常用于消除P. aeruginosa感染的抗生素剂包括β-内酰胺类、氨基糖苷类和氟喹诺酮类。此外，多粘菌素也可以用于治疗多药耐药菌株，但是它们具有高毒性。由于细菌生物被膜的低渗透性和对药物的外排作用，以及P. aeruginosa对常规抗生素剂具有的自身抗性，会导致多种并发症、治疗失败甚至死亡。因此，迫切需要发展一种针对P. aeruginosa的非抗生素策略用于治疗其感染。众所周知，细菌等微生物使用其凝集素与宿主组织上的糖基发生特异性作用，已有研究表明P. aeruginosa表面凝集素LecA和LecB能够介导其生物膜的形成。因此，这两种凝集素是预防细菌定植和潜在生物膜形成的靶标。事实上，凝集素与蛋白质相互作用的三维的多价异质对于生物膜的调控至关重要，但目前在设计细菌抑制剂时却很少考虑到。

【成果简介】

近日，南开大学张新歌副教授与美国韦恩州立大学曹智强副教授合作开发了一种新型纳米抗菌剂，其显示出高效的生物膜抑制能力（高达90%）以及对P. aeruginosa杀灭能力（接近100%）。研究表明，这种性能优异的细菌抑制作用主要是归因于50-100纳米尺度结构上两种类型糖模拟自然界的多价异质作用和特异性靶向P. aeruginosa上的LecA和LecB凝集素。这种新的阻断方法能够模拟碳水化合物-凝集素之间相互作用的自然强化机制，而显著的杀菌效果则来源于金纳米棒良好的光热转化能力。该设计策略还可用于进一步构建抗其他病原菌感染的抗菌剂。该成果以题为"A Biomimetic Non-Antibiotic Approach to Eradicate Drug-Resistant Infections"发表在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1 纳米抗菌剂的制备与性能

(a) AuNRs@pLAMA/pFEMA的合成；

(b) AuNRs@pLAMA/pFEMA的TEM图像；

(c) AuNRs和AuNRs@pLAMA/pFEMA的紫外-可见光谱；

(d) AuNRs @ pLAMA/pFEMA溶液的温度变化与NIR照射时间的函数关系图。

图2材料浓度和粘附时间对细菌的粘附效果影响

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

(b) 上清液的OD₆₀₀值同AuNRs@pLAMA/pFEMA纳米缀合物与P. aeruginosa孵化后的浓度(b)的函数关系；

(c) 上清液的OD₆₀₀值同AuNRs@pLAMA/pFEMA纳米缀合物与P. aeruginosa孵化的时间(c)的函数关系。

图3 糖聚合物链长和类型对生物被膜抑制效果的影响

(a) AuNRs抑制生物膜形成；

(b) 含有不同长度的糖聚合物配体的AuNRs@pLAMA/pFEMA抑制生物膜形成。

图4 含糖聚合物链长和糖类型对生物被膜形成影响的CLSM图

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

(b) 用不同浓度的AuNRs@pLAMA-50、AuNRs@pFEMA-50或AuNRs@pLAMA/pFEMA-50处理的P. aeruginosa生物膜。

图5 纳米缀合物对P. aeruginosa的体外抗粘附活性

(a) 材料抑制细菌粘附A549细胞的CLSM图；

(b) 定量测量材料抑制细菌对细胞的粘附作用；

(c) AuNRs@pLAMA/pFEMA与A549细胞共培养后存活率。

图6 AuNRs@pLAMA/pFEMA光热杀菌的CLSM图

(a) 在不同NIR照射时间下，用AuNRs@pLAMA/pFEMA处理后P. aeruginosa的CLSM活/死图像（活细胞为绿色，死细胞为红色）；

(b) 在有无近红外激光照射条件下，用PBS、AuNRs和AuNRs@ pLAMA/pFEMA-50处理后P. aeruginosa的SEM图像。

图7 体内局灶性感染的光热疗法治疗

(a) 小鼠的皮下脓肿造模；

(b) 注射材料光照后小鼠热成像图像；

(c) 小鼠的皮下组织细菌计数；

(d) 拍照记录材料经光照处理小鼠感染部位照片。

图8 纳米缀合物治疗后皮下脓肿的炎症反应

(a) 各组感染组织的H&E染色、BAG3和TNF-α免疫组化染色显微照片；

(b) 基于免疫组织化学染色产生的光密度对BAG3的定量分析；

(c) 基于免疫组织化学染色产生的光密度对TNF-α的定量分析。

图9 体内抗生素耐药细菌性肺炎的炎症反应

(a) P. aeruginosa诱导的肺炎小鼠中细菌CFU的定量分析；

(b) P. aeruginosa诱导的肺炎小鼠中白细胞的定量分析；

(c) P. aeruginosa诱导的肺炎小鼠中总蛋白质的定量分析；

(d) P. aeruginosa诱导的肺炎小鼠中IL-1β的定量分析；

(e) P. aeruginosa诱导的肺炎小鼠中IL-6的定量分析；

(f) P. aeruginosa诱导的肺炎小鼠中TNF-α的定量分析。

图10 肺部细菌留存和肺部炎症感染病理图

【小结】

在本文中，作者开发了一种非抗生素基的纳米制剂，该制剂通过两种类型的糖聚合物修饰三维结构的金纳米棒。这种新型制剂分别通过凝集素阻断和金纳米棒的近红外光诱导的光热效应，实现对耐药性肺炎的显著疗效。总之，新型仿生设计与光热杀灭能力的有效结合，有望成为一种替代治疗策略以对抗威胁性极强的抗药性传染病。

文献链接：A Biomimetic Non-Antibiotic Approach to Eradicate Drug-Resistant Infections(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201806024)

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