北京化工大学徐福建/俞丙然《AFM》：生物膜敏感的光动力纳米颗粒用于增强渗透和抗菌效率

　　细菌可以附着在植入的医疗设备上形成生物膜，导致持续感染，甚至使患者死亡，已经严重威胁公众健康。生物膜相关的感染很难治疗，因为存在胞外聚合物质，它可以保护微生物免受环境挑战。对抗生物膜最常用的方法是增加抗菌剂的剂量。然而，抗生素的过度使用导致了耐药菌株的发展。因此，开发一种新的抗细菌和生物膜感染策略至关重要。

　　光动力疗法(PDT)在消除细菌和生物膜感染方面表现出很大潜力。光敏剂(PSs)在被适当波长的光激活时产生活性氧(ROS)，它可以破坏细菌细胞中的许多生物分子，导致细胞死亡。PDT在皮下组织的穿透深度约为3 ~ 6 mm(波长范围:495 ~ 630 nm)，可用于治疗表皮(100µm厚)和真皮感染(1 - 4mm厚)。虽然PSs常用于杀灭革兰氏阳性菌，但它对革兰氏阴性菌的抗菌效果有限。这是因为革兰氏阴性菌的外膜和高负电荷脂质部分阻碍了PSs与细菌的有效结合，使其对PSs不敏感。为解决这一问题，将PSs与阳离子聚合物或阳离子抗菌肽结合成为一种替代方法。阳离子光活性纳米颗粒(NPs)不仅能与细菌结合，提高革兰氏阴性菌对光动力作用的敏感性，还能增强生物膜的渗透和清除效果。据报道，小于或等于500 nm的NPs具有优越的穿透和根除生物膜的能力。然而，大多数带正电荷的NPs有利于细胞摄取，这可能会增加它们的毒性或在照射条件下对哺乳动物细胞产生额外毒性，从而限制了它们的应用。

　　近年来，pH响应纳米系统已广泛应用于癌症治疗中，这一策略可以实现药物的靶向递送并同时减少副作用。此外，由于细菌代谢物的大量渗透，感染部位通常是酸性微环境，pH范围为5.0 ~ 6.5。因此，电荷反转策略为低毒性和高抗菌活性的功能自适应NPs的设计提供了一种新的方法。

　　基于此，北京化工大学徐福建教授、俞丙然副教授和北医口腔医院王宇光合作，设计制备了pH响应光动力抗菌NPs，期望其在严重感染区域表现出良好的抗菌和抗生物膜效果，并在感染微环境的pH随着感染处理的增加而增加时，降低其副作用。如示意图所示，丙胺功能化的玫瑰红(RB-NH 2)是一种产生单线态氧( 1O 2)的光敏剂，将其与聚多巴胺(PDA)共价结合来制备NP核(RB-PDA)。多粘菌素B ( PMB)可与革兰氏阴性菌外膜结合，导致细菌外膜失稳。因此，PMB被用于功能化RB-PDA NPs形成RB@PMB NPs，从而提高革兰氏阴性菌对光动力作用的敏感性。最后，利用葡萄糖酸(GA)进行静电相互作用制备RB@PMB@GA NPs。

　　Scheme 1. 用于增强生物膜穿透和抗菌效率的光动力NPs的制备示意图。

　　RB@PMB@GANPs在生理条件下(pH 7.4)表现出适当的负电荷，降低了细胞的内在化，对正常细胞的毒性最小。在酸性相关感染部位RB@PMB@GA NPs变成带正电荷(pH 5.0)使其有效地结合在带负电荷的细菌表面，增强了对革兰氏阴性细菌的光动力抗菌作用。此外,RB@PMB@GA在酸性环境中，NPs能有效地穿透和根除生物膜。在小鼠体内模型中植入导管，结果表明RB@PMB@GA NPs可在感染环境中被激活，并表现出高效的光动力效应。感染部位的持续酸性环境可能有助于增强PDT的效率，验证了其良好的生物膜清除效能，这为消除医疗器械上的生物膜提供了一个很有前途的方法。（图1）。

　　Figure 1． a)第1、3、7天不同处理小鼠切口区域和植入导管的照片。b) P. aeruginosa菌落照片。c)从每组组织和导管中获得的细菌菌落形成单位的定量分析。

　　结论:作者成功开发了一种pH响应光动力纳米系统，该系统具有低细胞毒性、有效的抗菌活性和优良的生物膜根除能力。在生理环境(pH 7.4)下，RB@PMB@GA NPs呈轻微阴性，细胞毒性和溶血活性可忽略不计。一旦RB@PMB@GA NPs处于细菌感染条件下，其表面电荷变为阳性，从而通过静电作用附着在细菌表面，提高细菌的光失活效率。RB@PMB@GA NPs对照射后的革兰氏阳性菌(S. aureus)和厌氧菌(P. gingivalis)具有较高的抑菌活性。此外，RB@PMB@GA NPs利用其合适的尺寸和pH响应行为，在pH为5.0时实现了有效的生物膜穿透和根除。此外，通过体内植入导管小鼠模型验证了RB@PMB@GA NPs具有良好的生物膜消除能力。这项研究为设计和合成安全的抗医疗器械感染的抗菌材料提供了一种新方法。

　　全文链接：

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103591

　　来源：高分子科学前沿

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