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陳克正、王瑋教授團隊在兩親性聚電解質無損穿膜、 精準抗菌方面取得重要進展
作者:材料學院  審核:謝廣文 來源:材料學院  編輯:王文豔 點擊:[] 日期:2021年07月01日

近日,Elsevier學術期刊《Bioactive Materials》(中科院JCR一區,影響因子14.593)刊發了以我校為第一完成單位的論文“Water-soluble PANI:PSS Designed for Spontaneous Non-disruptive Membrane Penetration and Direct Intracellular Photothermal Damage on Bacteria”(Bioactive Materials, 2021, 6, 4758-4771; dio:10.1016/j.bioactmat.2021.05.019),2018級碩士研究生唐煥峯為該論文的第一作者。

抗生素濫用所導致的細菌耐藥性是當今世界面臨的最嚴重的醫療問題之一。與抗生素不同,膜靶向性抗菌劑由於能夠破壞細菌的細胞膜結構,而一般具有很低的耐藥性,近年來受到了人們的廣泛關注。然而,由於真核細胞和細菌細胞膜結構的相似性,膜靶向性抗菌劑很容易對真核細胞的細胞膜也造成破壞,產生不可忽視的真核細胞毒性以及副作用。

細胞壁和細胞膜是細菌的外部屏障,由於細菌DNA位於無核膜保護的擬核中,因此,如果抗菌劑能夠以不破壞細胞膜的方式快速穿透細胞膜,就可以在不損傷真核細胞的前提下,直接接觸並破壞細菌的DNA,同時避免對正常組織的副作用。

受兩親性穿膜肽的啓發,我校材料學院陳克正教授、王瑋教授與中國醫學科學院放射醫學研究所劉鑑峯研究員(材料學院特聘教授)展開合作,利用納米仿酶催化合成法,製備出一種能夠高效無損穿膜的兩親性聚電解質光熱抗菌材料PANI:PSS。激光共聚焦熒光成像和細菌透射電鏡觀察結果表明,經過5分鐘孵育就可以檢測到細菌細胞內有該材料的綠色熒光信號,隨着時間的延長,綠色熒光信號由外及內,逐漸增強(圖1)。同時,與空白對照組相比,實驗組細菌的細胞膜並未出現凹陷、褶皺或破損等異常現象(圖2),充分證明該材料能夠以無損傷的方式快速穿透細菌的細胞膜,並可在隨後施加的體外近紅外光的激發下,在細菌內部產生高熱,對細菌DNA造成不可逆的熱損傷,進而殺滅細菌。動物活體研究結果表明,該材料能夠阻止由超級細菌——耐藥金黃色葡萄球菌所引起的小鼠體表傷口感染,且對小鼠正常組織無毒副作用。

綜上所述,相較於傳統的膜靶向抗菌劑,該研究製備的抗菌劑不僅具有更快的穿膜速率,而且對真核細胞的細胞膜無損傷,避免了對正常組織的副作用,其製備方法也更為簡便,成本更低,對解決細菌耐藥性問題具有重要意義。此外,這種兩親性無損穿膜抗菌劑的設計思路有望運用到其它抗菌劑的設計中,並在納米藥物的跨膜運輸方面具有潛在的應用價值。

文章鏈接://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c22746

本工作得到了國家優青基金、山東省自然科學基金等項目的資助。

圖1 DAPI染色的大腸桿菌(E. coli)與PANI:PSS共孵育5~120分鐘後所拍攝的激光共聚焦顯微鏡照片,標尺為5 µm(該圖中,紅色和綠色熒光分別由DAPI和PANI:PSS發出)。

圖2金黃色葡萄球菌(S. aureus)、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)、和大腸桿菌(E. coli)與PANI:PSS共孵育5~120分鐘後所拍攝的透射電子顯微鏡照片,標尺分別為1 µm(左)和200 nm(右)。

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