由天然基元构筑而成的协同抗菌和抗生物膜作用的纳米材料

　　第一作者：李昊天
　　通讯作者：顾志鹏，陈显春
　　通讯单位：四川大学
　　研究速览：
　　近期， 四川大学高分子科学与工程学院顾志鹏副研究员与陈显春副教授合作 在 Advanced Functional Materials 上发表了由天然存在的构件组装而成的协同抗菌和抗菌膜纳米颗粒的研究工作。细菌感染是人类健康面临的严重威胁之一，大约80%的细菌感染与生物膜有关。到目前为止，人们已经对开发强大的生物材料以清除生物膜和协同抗菌应用进行了广泛的研究。尽管取得了进展，但人们一直对材料的复杂合成和预修饰、复杂的纯化和高成本工作表示担忧。而在这项研究中，通过简单的集成方法一锅法就能够实现一系列由天然基元小分子（天然多酚和妥布霉素抗生素）偶联组装的纳米颗粒（NPs）制备。这类由天然基元构筑的纳米粒子可以通过增强抗生素渗透有效地破坏生物膜结构并杀死细菌，提升了抗生素在治疗牙周炎方面的效果。值得注意的是，天然多酚和妥布霉素可以在细菌诱导的环境中以按需的方式从形成的NPs中释放出来。前者可以通过与自诱导剂-2（AI-2）竞争结合去除现有的生物膜，抑制细菌内的群体感应，后者在体内外均具有较高的抗菌活性。这项通过简单集成方式构筑的由天然基元组成的纳米材料，为制备强大的协同抗菌和抗菌生物膜纳米材料提供了新的灵感。
　　要点分析：
　　要点一：
　　纳米颗粒的高效制备。 通过天然多酚和氨基糖苷类抗生素的简单集成方式，可以轻松制备一系列协同抗菌和抗生物被膜的纳米粒子（NPs）。利用多酚类物质的快速氧化聚合，以及多酚中的醌和氨基糖苷类抗生素中的氨基之间的多重亚胺键（-CH=N-）的自发形成，可以轻松形成具有高有效成分负载量的整合型NPs。
　　要点二：
　　有效的抗菌能力。 天然多酚和妥布霉素系统内形成的动态亚胺键赋予了粒子动态特性，使其可以在细菌诱导的环境中以按需的方式从形成的纳米粒子中释放。释放的天然多酚化合物通过与自诱导剂-2（AI-2）竞争结合抑制细菌间的群体感应（QS）实现生物被膜的破坏，而氨基糖苷类抗生素具有较高的抗菌活性，两者的有效结合和动态释放能够实现现有的生物膜完全去除以及有效地抗菌应用。
　　图文摘要
　　图文导读
　　图1.  （a）NPs的制造过程的示意图；（b）具有代表性的NP-1-NP-6扫描电镜结果；（c）NP-1的EELS映射图像；（d）不同时间的尺寸（比例尺：100 nm）；（e）NP-1在加热结束时的ESI-MS光谱（f）C 1s（g）N 1s和（h）O 1s NP-1的XPS高分辨光谱。
　　图2.  （a）不同pH条件下NP-1中妥布霉素（TOB）的释放谱；（b）PBS处理（pH = 7.4）和酸性降解（pH = 5.0）后的扫描电镜图像；（c）NP-1分别对粪肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌的抑菌活性；（d）经NP-1处理和未经处理的抑菌圈图像。
　　图3. （a）分别用NP-1、黄芩苷（BA）和TOB处理的结晶紫染色的铜绿假单胞菌生物膜的统计照片和数码照片；（b）SEM图像和（c）铜绿假单胞菌生物膜与NP-1相互作用后（0 h、24 h、72 h）的CLSM图像；（d）用生理盐水和NP-1处理的接种铜绿假单胞菌的猪皮肤伤口的数码照片和SEM图像。(e) 用生理盐水和NP-1处理的接种了铜绿假单胞菌的人类表皮的石蜡切片和SEM图像重建。
　　图4.  (a) 哈氏弧菌在暗室中加入NP-1前后的发光观察数码照片。(b) 作用机制推测示意图。(c) 发光强度0.05 mg/mL NP-1、BA和PBA的统计。(d) 用不同浓度的NP-1处理哈氏弧菌的 OD600值。
　　图5.  （a）牙周组织的数码照片；（b）牙周组织前视图的扫描电镜图像；（c）上颌磨牙区域的3D显微CT重建图像，沿颊根测量牙髓牙釉质交界处（CEJ，黄色虚线）和牙槽骨嵴（AB，黄色线）之间的距离；（d）对牙周组织的组织切片进行苏木精和伊红染色；（e）GBI的定量结果。（f）牙周炎实验中小鼠体重的变化。（g）小鼠血清ALT、AST和ALP水平。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001。
　　图6.  （a）不同时期愈合过程的代表性数码照片；（b）伤口愈合过程示意图；（c）对照组和NP-1治疗组的伤口缺损面积；（d）对照组和NP-1处理组的H&E、Masson、VEGF、CD31、IL-6和TNF-α染色。* p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001
　　结论
　　综上所述，作者通过简单的一锅法集成方式从天然合成基元（天然多酚和氨基糖苷类抗生素）出发构筑了一系列协同抗菌和抗生物被膜的NPs。在制造过程中，NPs系统内形成的动态亚胺键赋予了粒子在细菌诱导的环境中按需释放的动态特征。释放的天然多酚可以通过与自诱导剂-2（AI-2）竞争结合抑制细菌间的群体感应（QS）实现生物被膜的破坏，而氨基糖苷类抗生素具有较高的抗菌活性，完全去除现有的生物膜，表现出协同抗菌作用。牙周炎模型和细菌伤口修复模型的治疗结果也表明，纳米颗粒具有良好的抗生物被膜和抗菌应用性能。作者相信，这项工作可以为从天然基元出发构筑协同抗菌和抗生物被膜纳米颗粒提供一个新的策略。
　　全文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202212193.
　　参考文献： Haotian Li, Jianhua Zhang, Lei Yang,Huan Cao, Zhen Yang, Peng Yang, Wei Zhang, Yiwen Li, Xianchun Chen*, and Zhipeng Gu*. Synergistic Antimicrobial and Antibiofilm Nanoparticles Assembled from Naturally Occurring Building Blocks.2023, 2212193.
　　DOI: 10.1002/adfm.202212193.
　　作者及团队简介：
　　四川大学大学 顾志鹏、陈显春副教授 为论文的共同通讯作者。论文第一作者是四川大学高分子材料科学与工程学院硕士研究生 李昊天 。合作者还包括四川大学 李乙文教授等。
　　顾志鹏 ，四川大学高分子科学与工程学院特聘副研究员，博士生导师。主要致力于多酚功能材料领域研究，立足天然多酚分子的理化特性，解决天然多酚稳定性与特定场景下功效性不足的问题，通过不同的材料化学策略构筑多酚功能材料，实现多酚功能材料在放光、抗氧化稳定性及治疗效率上的提升与应用转化。以通讯作者在Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., CCS Chem., Chem. Mater., J. Control. Release等著名期刊上发表论文30余篇，论文总引用3000余次，8篇入选ESI高被引/热点论文，受邀在Chem. Soc. Rev., Mater. Horiz., 等高水平期刊上撰写多酚功能材料的专题综述，以第一发明人获得授权中国发明专利3项，实现技术转让1项。入选四川省学术与技术带头人后备人选、四川大学百人计划、四川大学十大学术新人等，担任Chinese Chem. Lett., Collagen and Leather等多个杂志青年编委。申请人主持了多酚功能材料相关的国家自然科学基金面上与青年项目；作为子任务负责人参与了国家重点研发计划课题；实现了部分成果转化。
　　Email:  guzhipeng2019@scu.edu.cn.
　　陈显春 ，四川大学高分子科学与工程学院，副教授，博士生导师，英国剑桥大学访问学者。主要研究兴趣包括：无机/有机复合生物材料、锂电极材料等，以第一或通讯作者发表SCI论文30余篇。先后主持承担多项国家与省部级科研项目，包括国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目和青年基金、四川省科技厅基础研究项目、地方产业规划项目等。
　　Email: chenxianchun@scu.edu.cn
　　个人主页：https://www.x-mol.com/groups/fuqiang/people/21346