国科温州研究院刘勇研究员《Adv.Mater.》：双尾动态共价两亲物对抗细菌生物膜

近日，国科温州研究院刘勇研究员、南开大学史林启教授联合团队，利用天然抗菌醛与一氧化氮供体通过动态共价键有机结合，开发了一种全新的非抗生素抗菌材料，为避免细菌耐药以及杀灭多药耐药细菌提供了一种全新的策略。该研究成果发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》。国科温州研究院博士后胡潇文，温州医科大学附属第一医院联合医学转化中心李圆凤博士和国科温州研究院博士后朴银子为论文的共同第一作者。

据估计，细菌生物膜是造成慢性和复发性细菌感染的主要原因，每年导致数百万人死亡和发病。生长在生物膜内的细菌比浮游细菌对传统药物小分子的抵抗力高10-1000倍。而传统抗生素治疗方法或多种抗生素联用不仅难以根治细菌生物膜感染，而且还会带来更严重的抗生素滥用情况，导致细菌产生多药耐药。因此，开发新的非抗生素抗菌材料策略来抑制生物膜形成以及根除成熟生物膜迫在眉睫。天然醛类小分子是一种天然的植物提取物，多项研究表明天然醛类具有良好的抗菌效果，其中从肉桂中提取的肉桂醛，被证实能有效抑制细菌、霉菌和酵母菌等一系列微生物的生长，并可抑制微生物产生毒素。由于具有良好的生物相容性和低毒性，肉桂醛经常被用作食品的添加剂。一氧化氮（NO）是一种重要的生物信使分子，在调节生物膜的解离上起到关键的作用。研究表明，皮摩尔到纳摩尔剂量的一氧化氮，可以广泛实现微生物的分散过程，进而恢复细菌对一系列抗菌剂和抗生素的敏感性，增强杀菌效果。然而醛类的低水溶性极大地限制了其药用价值，NO作为气体分子，不仅在体内极不稳定，且半衰期极短，没能到达病灶区就已经消耗殆尽。因此，急需一种方便快捷且具有一定感染微环境响应性释放能力的结合策略将醛类与NO有效结合。

基于细菌感染的微环境普遍成微酸性，且动态共价键的可逆性以及环境敏感性等特点，亚胺键这一类酸性敏感的动态共价键成为解决上述问题的关键，而醛基和氨基能够快速反应形成亚胺键的前体下，最近国科温州研究院刘勇研究员团队通过将多种天然抗菌醛与DETA NONOate（一类一氧化氮供体，DN）有机结合，开发了一种通过亚胺键结合，能够根除细菌生物膜的非抗生素抗菌两亲物，取名为双尾抗菌两亲物（T2A2）。由于T2A2具有两亲性的特点，其能够在水相体系中自组装，形成纳米粒子，各个醛类形成的纳米粒子对于S.aureus Xen36都展现了出色的杀菌功效，且效果都显著高于游离的醛类和游离DN（如图1所示）。

图1. DETA NONOate与醛类反应后在水中自组装的现象以及粒径和抗菌效果。

选取肉桂醛（Cin）作为代表醛，核磁中4.7 ppm和9.67 ppm的氨基和醛基峰的消失以及8.04 ppm的亚氨基的新峰的出现表明了Cin和DN成功反应，Cin-T2A2在水中自组装后，通过透射电镜发现其为球形纳米粒子，且碳元素和氮元素均匀分布，而氧元素分布于外圈的能谱结果恰好与设想的模型相符。酸性条件下快速释放Cin和NO的曲线都说明了Cin-T2A2具有酸响应（如图2所示）。

图2. Cin-T2A2的化学结构及形貌表征以及响应性表征。

比起游离Cin和游离DN，Cin-T2A2能够在4小时几乎杀灭细菌S.aureus Xen36，且Cin-T2A2作用后，细菌细胞膜表面大面积破裂，杀菌率高达99.93%（如图3所示）。

图3.Cin-T2A2对于S.aureus Xen36抗菌活性的表征。

为了进一步探究Cin-T2A2的抗菌机理，本研究利用全原子模拟，模拟Cin-T2A2在细菌细胞膜内时的作用情况，发现Cin-T2A2在细菌细胞膜内时，因为其两亲性的特点，亲水头不断往膜外方向移动，从而将细菌细胞膜不断拉扯，最后将其撕碎（如图4所示）。

图4. 全原子模拟对于Cin-T2A2抗菌机理的表征。

而蛋白组学的结果表明，材料在抗菌时，不仅作用于细胞膜，也影响群体效应以及ATP的合成（如图5所示）。

图5. 蛋白组学对于Cin-T2A2抗菌机理的表征。

Cin-T2A2能够有效抑制生物膜生长以及对于成熟的生物膜有很强的解离作用，其效果都比游离Cin和游离DN显著（如图6所示）。

图6. Cin-T2A2对于抑制细菌生物被膜生长作用以及对于细菌成熟生物被膜的解离作用。

体内动物实验表明，Cin-T2A2不仅能够有效治疗细菌生物被膜引起的慢性感染，而且能够减轻生物膜所引起的炎症（如图7所示）。

图7.Cin-T2A2在小鼠皮下感染模型中根除葡萄球菌。

该工作得到了国科温州研究院启动专项，国家自然科学基金，瓯江实验室（浙江省再生医学与视觉脑健康实验室），温州市生物材料与工程重点实验室，浙江省临床检验诊断与转化研究重点实验室开放基金以及国家“一带一路”创新人才交流项目等项目的支持。

刘勇研究团队介绍：

仿生聚合物组装与功能化课题组，近年来研究领域为具有生物活性的高分子材料设计、合成及自组装及其在克服细菌/癌症耐药性方面的应用。尤其专注（1）智能响应型高分子聚合物的设计、合成与表征，纳米组装体制备、分离、多功能化；（2）用于克服细菌及癌症耐药性的智能高分子聚合物纳米体系（以临床需求为导向）；（3）新型高性能抗菌制剂研发与产业化。课题组近五年来在Chem. Soc. Rev.， Adv. Mater. Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Today等杂志上发表一区文章30余篇，其中影响因子大于10的文章25篇。

封面来源于图虫创意