【引言】

納米材料和納米技術(shù)在最近幾年得到了科學(xué)界的重視，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都越來越廣泛。由于納米材料的特殊的尺寸效應(yīng)，納米顆粒、納米管以及各種納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用正蓬勃發(fā)展，勢(shì)頭十足。迄今為止，已經(jīng)開發(fā)了許多納米系統(tǒng)作為抗生素替代品用于細(xì)菌感染的治療。然而，這些先進(jìn)的系統(tǒng)由于其非目標(biāo)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(xué)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(qū)動(dòng)的自組裝納米結(jié)構(gòu)，由于組裝誘導(dǎo)保留（AIR）效應(yīng)，其在目標(biāo)位置顯示出超強(qiáng)的積累與保留能力。受此效應(yīng)的啟發(fā)，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(zhuǎn)變?yōu)槔w維結(jié)構(gòu)，從而在細(xì)菌感染部位同時(shí)實(shí)現(xiàn)長期積累與增強(qiáng)抗菌的功效。相關(guān)成果以題為“An “On-Site Transformation” Strategy for Treatment of Bacterial Infection”發(fā)表在Adv. Mater.上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 CPC的自組裝示意圖和酶誘導(dǎo)形態(tài)轉(zhuǎn)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?nèi)ケＷo(hù)殼層；iii）疏水/親水平衡的破壞導(dǎo)致殼聚糖的鏈鏈氫鍵相互作用，自發(fā)促進(jìn)纖維結(jié)構(gòu)的自組裝重組；

b）i）在感染性微環(huán)境中，積累在感染位點(diǎn)的CPC納米顆粒被由明膠酶陽性細(xì)菌產(chǎn)生的明膠酶切割，引發(fā)原位形態(tài)轉(zhuǎn)化；ii）纖維狀納米結(jié)構(gòu)在感染組織內(nèi)原位產(chǎn)生，使納米材料得以積聚且其保留時(shí)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(dǎo)下的形態(tài)轉(zhuǎn)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(shí)間后，每個(gè)時(shí)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（100×10-6M，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(dāng)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(duì)照肽（GPMGMRGC））時(shí)。合成物CPC-3是用于模擬明膠酶裂解CPC-1后的產(chǎn)物。

圖4 體外CPCs與細(xì)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。ΔfB和ΔfC分別表示細(xì)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。ΔfB和ΔfC分別表示細(xì)菌和CPC的頻率變化；

d）每單位細(xì)菌的吸附質(zhì)量η=ΔfC/ΔfB=ΔmC/ΔmB，其中ΔmC是CPC的吸附質(zhì)量，ΔmB是細(xì)菌的吸附質(zhì)量；

e）具有不同PEG接枝比例的熒光標(biāo)記的CPC-1和金黃色葡萄球菌在靜態(tài)培養(yǎng)物中培養(yǎng)1小時(shí)的熒光圖像。細(xì)菌的熒光強(qiáng)度與CPC-1的EPEG接枝率成反比。比例尺，10μm；

f）Hill指數(shù)，n=5，表明纖維CPC-1與細(xì)菌表面有強(qiáng)烈的多位點(diǎn)結(jié)合；

g）CPC-3對(duì)細(xì)菌的多位點(diǎn)結(jié)合模式示意圖；

h）用球形CPC-2和纖維CPC-3培養(yǎng)1小時(shí)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(yǎng)在明膠酶陽性細(xì)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(yǎng)6-8小時(shí)的金黃色葡萄球菌的形態(tài)，箭頭表示細(xì)菌膜的損傷，塌陷和融合。 比例尺，2μm。

圖6 體內(nèi)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(nèi)近紅外熒光成像，②CPC-2,③CPC-1。使用PBS緩沖溶液（pH 7.4）作為對(duì)照。白色的圓圈表示感染部位；

b）感染部位在不同時(shí)間的平均熒光信號(hào)。紅色箭頭表示在第0天，第1天，第2天和第3天進(jìn)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(hào)。插入圖是白色箭頭區(qū)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(nèi)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(jié)構(gòu)。比例尺，1μm。在感興趣區(qū)域獲取的相應(yīng)的能量色散圖在圖d（上方插入圖）中由紅色星標(biāo)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(hào)。平均熒光信號(hào)值表示為平均值±S.D（N=6）。星號(hào)（**）表示**P<0.01的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；g）在第5天對(duì)在感染區(qū)域存活的金黃色葡萄球菌進(jìn)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(xì)菌菌落。誤差線由每組5只小鼠確定。

【小結(jié)】

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