中山大学岳军课题组《Chem. Mater.》：工程化阳离子超支化聚脲抗细菌生物膜研究

2023-06-14 来源：高分子科技

由细菌生物膜引起的感染性疾病给人类健康带来了重大危害。生物膜的胞外聚合物基质阻碍传统抗菌剂渗透至生物被膜内部，极大地增加了生物膜的清除难度。此外，常规用量的抗生素对由生物膜引起的感染收效甚微，加大抗生素的剂量不仅给机体带来更强的毒副作用，而且加剧诱导细菌耐药性的发展。阳离子抗菌聚合物作为一种新型的抗菌材料，具有广谱的杀菌活性，且不会引发细菌的耐药性。前期基于浮游菌筛查的相关研究表明，阳离子聚合物链的拓扑结构会显著影响其杀菌活性，例如，具有紧凑结构的树状高分子或超支化聚合物，往往具有较高的抗菌活性。然而，已有的基于浮游菌筛查的研究结果并不适用于生物膜体系，这是因为生物膜中的细菌无论是基因表达，还是代谢活性，都与浮游态下的细菌有较大的差异。因此，阳离子聚合物链的拓扑结构如何影响其对抗细菌生物膜的作用效果仍有待深入研究。

近日，中山大学岳军课题组报道了一种两亲性超支化聚脲材料，其支化末端修饰了具有广谱抗菌作用的季铵盐基团（aBPUs@QA），分子内基于脲基的氢键相互作用使得aBPUs@QA的结构极为紧凑，大大提高了材料表面季铵盐的相对密度。为了验证这种超支化拓扑结构对聚合物材料抑制和清除生物膜能力的重要性，作者同时合成了另外两种聚合物作为对照：一种是含有相同数量季铵盐基团的线性聚合物（L-pQA）；另一种是支化末端接枝聚乙二醇的超支化聚合物（aBPUs@PEG）。系统研究了三种聚合物对生物膜形成过程中典型的三个阶段的影响，包括细菌在固体表面的粘附、群落形成相关的细菌模式运动、以及成熟的生物膜。最后对比分析了它们在治疗慢性伤口感染中的作用效果（图1）。

图1. 季铵化超支化聚脲（aBPUs@QA）的抗生物膜策略。

细菌附着在固体表面是形成生物膜的第一步。为了研究aBPUs@QA是否能够影响细菌附着和随后的生物膜形成，使用亚抑制浓度的聚合物处理细菌后，将预处理后仍然存活的相同数量的细菌转移到共聚焦培养皿或培养板中，利用CLSM观察细菌生物膜，并使用结晶紫测定生物量。结果显示（图2），与aBPUs@PEG或L-pQA处理相比，经aBPUs@QA处理后，细菌在固体表面形成的生物膜量明显减少，这与改变的细胞膜电位变化有关。

图2. aBPUs@QA能够有效减少细菌在固体表面的附着。

此外，细菌生物膜的形成还与细菌在基材表面的运动行为有关。细菌可以通过群集或蹭动等运动行为来获取更好的养分。群集行为和蹭动行为在生物膜形成或成熟生物膜分散的早期阶段起作用。如图3所示，在群集行为中，aBPUs@QA通过抑制大肠杆菌群落在固体表面向外扩散运动益阻止细菌群落的扩张，抑制生物膜的形成。而在蹭动行为中，aBPUs@QA通过促进大肠杆菌由鞭毛驱动的相关运动行为，促进单个细菌的快速移动，从而抑制生物膜的形成。而金黄色葡萄球菌可能由于缺乏菌毛和鞭毛，因此对聚合物的处理不敏感。

图3. aBPUs@QA干扰细菌在固体表面的相关运动行为。

对于成熟生物膜，抗菌材料在其中的渗透能力直接关系到抗菌材料对生物膜内部细菌的杀伤能力。为此，作者利用含杂原子材料自身固有的荧光发射特性，研究了三种聚合物在成熟生物膜中的渗透性，并评估了各自的生物膜清除能力。与L-pQA和aBPUs@PEG相比，aBPUs@QA在成熟生物膜中展现出最强的纵向荧光分布，表明其较强的渗透能力（图4）。此外，随着聚合物浓度的提高，aBPUs@QA在革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、以及耐药菌株的生物膜中均展现出更加优异的生物膜清除能力。

图4. aBPUs@QA具有较强的生物膜渗透能力和较高的生物膜清除能力。

最后，以金黄色葡萄球菌感染的糖尿病伤口为模型，对比考察了aBPUs@QA在治疗生物膜感染性疾病中的作用效果。如图5所示，与生理盐水组对比，L-pQA和aBPUs@PEG对于感染伤口几乎没有治疗效果，而aBPUs@QA则能有效控制伤口处生物膜引起的感染，并加速糖尿病感染伤口的愈合。

图5. aBPUs@QA有效促进金黄色葡萄球菌感染的糖尿病伤口愈合。

以上研究成果以“Engineering cationic hyperbranched polyureas for combating bacterial biofilms”为题，发表于Chemistry of Materials, 2023, doi: 10.1021/acs.chemmater.3c00242）。中山大学生物医学工程学院岳军副教授为通讯作者，硕士研究生罗尧和余国益为共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金委员会和深圳市科技创新委员会的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.3c00242

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（责任编辑：xu）

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