抗药性细菌感染是人类社会面临的新的难题。近十几年来，开发纳米抗生素来治疗抗药性细菌感染的研究方兴未艾，尺寸决定杀菌活性时有报道。仔细检视这些研究，我们会发现很多纳米材料的杀菌活性来自更广泛的“生物毒性”，比如说激活氧自由基（ROS），释放重金属离子，增加憎水比表面积等等特性都会随尺寸变小而增强。这些特性有利于杀菌，但也会损伤人体细胞。事实上，许多纳米材料的生物或环境毒性已经引起了广泛的担忧。杀死病菌不难，杀死病菌而不对人体自身或生态环境产生不良后果是问题的关键。要想纳米抗生素在抗药性细菌感染的临床治疗上有所作为，我们应当把由于纳米材料本身的尺寸对杀菌活性的帮助同因纳米结构产生或携带的生物毒性区别开来。唯有把二者的作用机理厘清，才有可能设计具有高度生物相容性的纳米抗生素来选择性的杀死细菌而不至于陷入杀敌八百， 自损一千的困境。

  德州理工大学医学院梁红军教授课题组在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Hydrophilic nanoparticles that kill bacteria while sparing mammalian cells reveal the antibiotic role of nanostructures” 的文章。为了厘清和解构纳米粒子的杀菌活性，该课题组设计合成了一系列具有类似结构但是大小不同的亲水纳米粒子，它们的直径从7到270纳米不等（图一）。这些粒子是微观世界里的“毛球”：“球”的部分是具有高度化学惰性和生物相容性的二氧化硅纳米粒子，而 “毛”的部分是长在二氧化硅纳米粒子表面的具有同样长短和接枝密度的亲水高分子刷。与憎水或双亲高分子不同，亲水高分子不会侵入憎水的细胞膜内部制造孔隙而导致细胞膜破裂。

图一：具有类似结构但是大小不同的亲水纳米粒子。（a）制备表面接枝聚 (4-乙烯基吡啶) 高分刷的亲水纳米粒子路线图；（b-i）不同尺寸的二氧化硅纳米粒子（b-g）以及表面接枝高分刷的二氧化硅纳米粒子电镜图（标尺：500纳米）。

  抑菌，杀菌，抗凝血，以及细胞毒性的测量分析发现二氧化硅纳米粒子本身或者亲水高分子作为独体既没有杀菌活性，也对人体细胞没有毒性。虽然二者合体成为亲水纳米粒子以后仍然保留了对人体细胞没有毒性的特点, 这些亲水纳米粒子与细菌的相互作用发生了质变而获得了高效的杀菌活性， 包括杀灭临床上常见的抗药菌种。因纳米结构而获得的杀菌活性随纳米粒子的尺寸而变化。直径50纳米左右是临界尺寸：小于这个尺寸的亲水纳米粒子是高效抗生素， 而大于这个尺寸的亲水纳米粒子的杀菌活性会随尺寸增大而急剧下降。

图二：对人体细胞无害的亲水纳米粒子具有随纳米粒子尺寸而变化的破坏细菌细胞膜的能力。对模型人体细胞（a）和细菌（b）脂质体巨囊泡的荧光渗漏试验以及活体细菌的荧光渗透检测揭示所有尺寸的亲水纳米粒子均不会破坏人体细胞膜的连续性，但直径小于50纳米左右的亲水纳米粒子会破坏细菌细胞膜。扫描电镜（d-g；l-n）和切面透射电镜（h-k；o-q）对亲水纳米粒子与格氏阴性E. coli （d-k）和格氏阳性S. aureus（1-q）细菌相互作用的研究也证实了随纳米粒子尺寸而变化的选择性破坏细菌细胞膜的能力（红，蓝，黑箭头分别标识亲水纳米粒子，细菌细胞膜， 和细菌肽糖壳；扫描电镜，扫描电镜插图，和透射电镜的标尺分别是5微米，500纳米，和200纳米）。

  荧光探针，扫描电镜，以及透射电镜的研究揭开了亲水纳米粒子的杀菌原理（图二）。虽然人体细胞可以吞噬亲水纳米粒子，它们不影响人体细胞的正常生长。细菌则不同。直径小于50纳米左右的亲水纳米粒子会完全破坏细菌的细胞膜，而大于这个尺寸的亲水纳米粒子虽然也吸附在细菌表面，它们不会破坏细菌细胞膜的连续性。这些观测表明亲水纳米粒子是否影响活细胞的正常生长取决于它们是否会破坏细胞膜的连续性，而是否会破坏细胞膜的连续性又取决于纳米粒子的尺寸和细胞膜的结构。

图三：亲水纳米粒子在细菌细胞膜表面穿孔的能力取决于纳米粒子的尺寸。（a）基于同步辐射小角x-光散射的傅立叶重建电子云密度分布图清楚地揭示了模型细菌细胞膜与亲水纳米粒子相互作用后重组的微结构在二维膜面上是六方密堆积的蜂窝型孔隙结构（a）。（b）沿晶胞轴方向的一维电子云密度分布图进一步帮助重建了脂质体分子与高分子刷在膜面上的相互作用和重组装。随着亲水纳米粒子的直径增加，单个亲水纳米粒子的高分子刷束可以在细菌细胞膜表面穿一个（c）或多个（d）微孔。当亲水纳米粒子的直径超过～50纳米的临界尺寸以后，纳米粒子表面近似平面，上面均匀分布的高分子刷链不再会在细菌细胞膜表面穿孔， 而是跟单链高分子一样会诱导模型细菌细胞膜形成双连续的立方膜结构 （e）。

  人体细胞与细菌细胞膜在结构上的一个显著区别是细菌细胞膜含有丰富的负曲率脂质体，而人体细胞膜主要由零曲率脂质体组成。同步辐射小角x-光散射清楚地揭示了模拟人体细胞和细菌的脂质体囊泡与不同尺寸的亲水纳米粒子相互作用后重组的不同微结构：人体细胞膜可以包裹和吞噬整个亲水纳米粒子，但细胞膜的连续性没有损坏；细菌细胞膜则不同（图三）。它们丰富的负曲率脂质体帮助克服了细胞膜局部弯曲所需要的能量而形成马鞍形的膜面环绕在单束高分子刷链周围。这种细胞膜的拓扑形变成孔来包裹单束高分子刷链而不是整个亲水纳米粒子优化了高分子刷与细胞膜的相互作用而极大的降低了体系的自由能。人体细胞膜作不到这一点，因为局部弯曲主要由零曲率脂质体组成的细胞膜而形成马鞍形的膜面所需要的能量太大。需要指出的是，高分子刷能否在细菌细胞膜表面穿孔取决于二氧化硅纳米粒子的大小和高分子刷的链长，二者共同决定实验上观测到的50纳米左右的临界尺寸，因为只有在曲面上接枝的高分子刷才有可能在超过一定刷链高度以后获得足够的柔顺性而成束，这些不均匀分布而成束的高分子刷链才会在细菌细胞膜表面穿孔。大于这个临界尺寸，纳米粒子表面近似平面，均匀分布的高分子刷链不会在细菌细胞膜表面穿孔，实验发现它们跟单链高分子一样会诱导模型细菌细胞膜形成双连续的立方膜结构。

  这项研究得到了两个主要发现。第一个发现是不需要依赖有生物毒性的材料来开发纳米抗生素。无毒无杀菌活性的亲水高分子链接枝到无毒无杀菌活性的纳米粒子表面形成高分子刷以后保留了对人体细胞无害的特点，但是刷状高分子与细菌的相互作用相比单链高分子与细菌的相互作用发生了根本的变化， 其结果是亲水纳米粒子可以转变成高效抗生素。这种质变源于细菌细胞膜里独有的大量负曲率脂质体，它们帮助刷状高分子在细菌细胞膜表面穿孔。人体细胞膜主要由零曲率脂质体组成，类似的细胞膜拓扑形变成孔所需能量太大而不可能发生；第二个发现是纳米粒子的尺寸影响了刷状高分子与细菌的相互作用模式。只有在临界尺寸以下的，高曲率的纳米粒子表面接枝的高分子刷才有可能形成非均匀分布的高分子刷束在细菌细胞膜表面穿孔。这些发现为开发无生物和环境毒性的纳米抗生素提供了新的思路。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27193-9#article-info