天津大学吴水林教授团队开发出中药抗菌新策略

时间:2022-05-11 14:18:05 来源:Nature Communications 点击量:

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革兰氏阴性细菌通常具有两层细胞膜结构,其中,外膜(OM)是一种不对称结构,其由脂多糖(LPS)基细胞外小叶(extracellular leaflet)和内磷脂小叶(phospholipid leaflet)组成。由于外膜屏障的存在,纳米颗粒甚至大多数小分子都无法穿过外膜(OM)以在细菌内进行聚集,这大大限制了抗菌剂发挥杀菌作用。
 
针对这一问题,天津大学吴水林教授和河北工业大学刘想梅教授等人报告了一种普适抗菌策略,可使窄谱(只能有效杀死革兰氏阳性细菌)的藤黄(Garcinia)纳米颗粒也能高效清除革兰氏阴性菌。在该策略中,通过微波作用可在细菌外膜上创造瞬时纳米孔,从而诱导药物进入并杀死细菌。研究利用分子动力学模拟和实验,阐释了藤黄纳米颗粒强大的抗大肠杆菌(革兰氏阴性)作用归因于藤黄纳米颗粒自身和微波的协同作用。这项工作提出了使用中草药纳米颗粒和微波辅助方法作为有效杀菌策略,有望为治疗革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌共感染炎症提供新的思路。相关工作以“Microwave assisted antibacterial action of Garcinia nanoparticles on Gram-negative bacteria”为题发表在Nature Communications。
 
【文章要点】
 
一般来说,当暴露在微波中时,材料上的偶极子会试图与交变电场重新对齐,从而可能会导致材料结构紊乱,同时能量以热的形式通过极性分子摩擦行为损失耗散。这种微波热效应和非热效应统称为MV效应。而对于OM来说,其组成成分LPS和磷脂酶均为代表性的极性分子。因此,基于MV效应有望通过微波和OM之间的强相互作用来松动OM结构,从而促进药物进入。根据在大肠杆菌的外膜上进行分子动力学模拟,研究发现MV效应可导致OM结构的逐渐松动和解离,以及OM组分分子链的自聚集,从而在OM结构上形成了直径约为5纳米的纳米孔 ,最终有助于纳米药物的胞内递送(图1)。
\图1藤黄纳米颗粒在微波/无微波辅助下的抗菌性能
 
以藤黄纳米颗粒作为模型抗菌剂,研究发现由微波产生的外膜纳米孔可诱导藤黄纳米颗粒渗透细菌。穿过外膜后,藤黄纳米颗粒可对内膜进行去极化,并与MV热效应协同导致细菌胞内物质的泄露,最终造成大肠杆菌死亡(图2)。在体外实验中,15分钟微波辐照可使藤黄纳米颗粒对大肠杆菌的抗菌效率从6.73%提升到99.48%。而在体内实验中,微波辅助的藤黄纳米颗粒可有效治疗小鼠细菌性肺炎。
\图2藤黄纳米颗粒与微波协同杀伤大肠杆菌
 
文献链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30125-w
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