中科院理化所等在对抗铜绿假单胞菌生物膜感染领域获新进展
时间：2020-03-20 12:34:58 来源：高分子科学前沿 点击量：
铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）是医院的主要威胁之一。虽然对健康人群致病力弱，但对于囊性纤维化、癌症、烧伤等病患，铜绿假单胞菌感染可能带来致命威胁。铜绿假单胞菌感染多以生物膜形式发生。在生物膜中，胞外高分子基质（EPS）可有效阻挡抗菌剂的渗透，使细菌对抗菌剂的耐受性提高100-1000倍。因此，如何实现抗菌剂在生物膜中的深层渗透并有效杀菌是对抗铜绿假单胞菌感染的关键。生物膜中富含孔径从纳米到微米不等的水合通道，且带负电的EPS更容易吸附并阻挡带正电的抗菌剂，因此，表面电中性、尺寸小于500nm的亲水性纳米粒子更容易穿透生物膜。作为一种革兰氏阴性菌，铜绿假单胞菌的外膜由磷脂双分子层以及带负电的脂多糖构成，因此，兼具疏水及正电荷的分子更容易通过破坏外膜使铜绿假单胞菌失活。根据生物膜及革兰氏阴性菌外膜的特征，理想的抗菌剂应在穿透生物膜时保持500nm以下、电中性的亲水纳米结构，遇到菌膜时转变为富含正电荷和疏水域的结构。
近期，中科院理化技术研究所牛忠伟研究员课题组联合中科院高能物理研究所陈俊副研究员，通过构建一种菌膜诱导组装结构转变的壳聚糖-聚乙二醇-抗菌肽偶联物（CS-PEG-LK13）实现了抗菌剂对生物膜的深层渗透及对生物膜中细菌的有效杀灭（见图1）
图1 CS-PEG-LK13的组装及抗生物膜示意图
如图2所示，所构建的偶联物CS-PEG-LK13在水环境中可形成直径~100nm、外表面基本呈电中性的组装体，带正电的LK13肽由于被包裹在内部无法接触膜环境而呈现无规构象。只有当遇到富含负电荷的膜结构（由POPG模拟）时，CS-PEG-LK13组装体才会发生解组装并暴露出兼具正电荷、疏水域、α-螺旋的LK13肽，以实现破膜杀菌。
图2 CS-PEG-LK13组装结构的表征
这种菌膜诱导组装结构转变的性质使所构建的CS-PEG-LK13偶联物在穿透生物膜和抗菌方面都具有显著优势。在体外铜绿假单胞菌生物膜中，采用8倍最小抑菌浓度（MIC）时，CS-PEG-LK13的抗菌效率可达72.70％，明显高于LK13肽（15.24%）和妥布霉素（33.57%）（图3）。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）的成像显示，CS-PEG-LK13组装体可使生物膜中几乎所有细菌失活，而LK13肽和妥布霉素仅可使生物膜中约一半细菌失活。
图3 CS-PEG-LK13的抗生物膜性能
在小鼠皮下植入生物膜感染模型中（图4），12.5倍MIC的CS-PEG-LK13与1562倍MIC的妥布霉素表现出了相似的治疗效果，两组的小鼠伤口均愈合良好，没有可见的炎症，植入体上几乎没有剩余菌落。说明CS-PEG-LK13在对抗铜绿假单胞菌生物膜方面表现出了与大大过量的妥布霉素相当的能力。
图4 CS-PEG-LK13体内抗生物膜性能表征
这项工作为设计针对革兰氏阴性菌生物膜的新型抗菌剂提供了有效策略，相关研究成果以CombatingPseudomonas aeruginosa Biofilms by a Chitosan-PEG-Peptide Conjugate via Changesin Assembled Structure为题，在线发表于近期的《ACS Appl. Mater.Interfaces》。中科院理化技术研究所博士生鞠晓燕、中科院高能物理研究所陈俊副研究员为该论文的第一作者，中科院理化技术研究所牛忠伟研究员、田野副研究员是该论文的通讯作者。中科院高能物理研究所博士生周梦雪为该工作的小鼠体内验证提供了大量实验协助。相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院青年创新促进会、理化所所长基金、中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室开放基金的大力支持。
