北京化工大学王兴教授团队 ACS AMI：GSH/pH级联响应纳米粒子通过协同的光和化学疗法消除耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物被膜

2024-01-29 来源：高分子科技

细菌感染仍是威胁公众健康的主要医疗问题。抗生素的过度使用频繁导致细菌耐药性的产生。细菌还会进一步形成生物被膜。生物被膜中EPS极大地阻碍了抗生素的内化，大大降低了抗生素抗菌效率。此外，由于生物被膜的缺氧特征，细菌会积累大量酸性代谢物。缺氧和微酸性环境会减缓细菌的新陈代谢，从而加剧细菌对抗生素的耐受性。因此，亟需开发一种有效的策略来提高抗生素的疗效，从而实现低剂量高效率根除耐药细菌及其生物被膜。

为此，北京化工大学王兴教授课题组设计了一种具有光疗和抗生素协同效应的GSH/pH级联响应NPs，用于靶向根除耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）及其生物被膜（图1）。首先，合成了一种主链中含有二硫键、侧链中含有悬坠醛基的聚碳酸酯基聚合物（SP）。然后，万古霉素（Van）通过席夫碱（Schiff base）键与SP结合，形成SP-Van。最后，用SP-Van包裹IR780，得到纳米粒子SP-Van@IR780 NPs。由于Van具有细菌肽聚糖靶向能力，SP-Van@IR780 NPs可以主动富集到细菌感染部位。细菌感染微环境中过量表达的GSH会引发二硫键的快速断裂，导致SP-Van@IR780 NPs逐渐崩解，有助于实现药物的深层渗透。二硫键对GSH的消耗可促进ROS在感染微环境中的积累，敏化PDT的杀菌作用。同时，SP-Van@IR780 NPs中的席夫碱键在低pH下断裂，Van从NPs上脱离，从而杀死内部细菌；Van和IR780表现出显著的协同效应（FICI为0.28），使IR780和Van的给药剂量分别减少50%和83.3%。与对照组相比，SP-Van@IR780 NPs对MRSA生物被膜和小鼠皮下脓肿的治疗效果更佳。因此，SP-Van@IR780 NPs利用智能给药系统协同光疗和抗生素，是治疗耐药细菌感染及其生物被膜的一种很有前景的策略。

图1. GSH/pH级联响应SP-Van@IR780 NPs通过光疗和抗生素协同清除MRSA生物被膜。

文章要点：

（1）SP-Van@IR780 NPs的结构和基础性能（图2）：研究表明，SP-Van@IR780 NPs粒径均一且稳定性良好。NPs中的二硫键可以消耗环境中的GSH，从而累积ROS的产生，敏化PDT。在GSH和低pH环境中，NPs中二硫键和席夫碱键逐级断裂，粒径变小，有助于在细菌感染部位实现深层的生物被膜渗透和可控的药物释放。

图2. SP-Van@IR780 NPs的表征。

（2）体外杀菌活性（图3）：棋盘法实验表明，Van和IR780具有显著的协同抗菌作用（FICI=0.28）。当Van和IR780浓度均为5 μg/mL，SP-Van@IR780 NPs对MRSA的清除效率高达99.99999%。在同程度的抗菌效果下，SP-Van@IR780 NPs将Van和IR780的使用剂量分别降低了83.3%和50%。

图3. SP-Van@IR780 NPs的体外抗菌活性。

（3）体外细菌生物被膜的清除能力（图4）：研究表明，在无激光照射下，SP-Van@IR780 NPs可以有效渗透至生物被膜内部。在近红外照射下，NPs降解后释放出的IR780会产生热量和ROS，从而破坏EPS，并使隐匿在生物被膜内部、代谢活性较低的细菌复活。穿透生物被膜内部后，NPs中的席夫碱键在低pH下断裂。然后，Van从NPs上脱离，从而杀死内部细菌并消除生物被膜。因此，SP-Van@IR780 NPs通过引入二硫键和席夫碱键，有效发挥低剂量光疗和Van的协同作用。

图4. SP-Van@IR780 NPs对细菌生物被膜的渗透和清除能力。

（4）SP-Van@IR780 NPs对小鼠皮下脓肿模型的治疗性能（图5）：受试小鼠经尾静脉注射NPs后，通过IVIS观察到NPs在小鼠脓肿部位实现24 h-96 h的长效蓄积。在药物注射后24 h和72 h分别施以激光照射（808 nm, 0.5 W?cm^–2, 5 min）。在第10天时，与单一治疗组相比，SP-Van@IR780 NPs组伤口面积最小、残余细菌数最少且组织愈合程度最高。

图5. SP-Van@IR780 NPs对小鼠皮下脓肿模型的治疗性能。

综上所述，该研究提出了强效的SP-Van@IR780 NPs，以实现对浮游MRSA和生物被膜的有效清除。二硫键和席夫碱键的引入赋予了SP-Van@IR780 NPs优异的生物被膜穿透能力、ROS积累能力和靶向递送能力，充分发挥了SP-Van@IR780 NPs的多功能优势。该NPs在温和光疗和抗菌治疗方面表现出独特的协同效应（FICI =0.28）。在近红外照射下，光疗产生的ROS破坏EPS并激活细菌，而抗生素Van可以靶向感染部位并杀死被活化的细菌。体外和体内结果均表明，SP-Van@IR780 NPs能够有效消除生物被膜感染。同时，SP-Van@IR780 NPs具有良好的生物相容性，该研究为临床消除生物被膜相关感染性疾病提供了一种有效的纳米平台。

相关研究成果近期以“GSH/pH Cascade-Responsive Nanoparticles Eliminate Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus Biofilm via Synergistic Photo-Chemo Therapy”为标题发表在学术期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上。本论文第一作者为北京化工大学生命科学与技术学院博士毕业生康晓旭和硕士毕业生杨玄坤。北京化工大学王兴教授、李国锋副教授为论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、北京化工大学-中日友好医院生物医学转化工程研究中心的资助与支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.3c17198

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（责任编辑：xu）

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