国科温州研究院刘勇研究员AM：双尾动态共价两亲物对抗细菌生物膜

文章概要

而想要完全克服细菌耐药性和生物被膜，需要开发完全不依赖于抗生素的纳米药物体系。基于此，国科温州研究院刘勇研究员、南开大学史林启教授合作开发了NO供体（二亚乙基三胺NONOate，DN）和各种天然醛组成的双尾抗菌两亲物（two-tailed antimicrobial amphiphiles，T2A2）。T2A2的两亲性可以让其在水中组装形成临界聚集浓度低至0.005µg/mL的纳米颗粒。肉桂醛(Cin)衍生得到的T2A2（Cin-T2A2）组装体表现出出色的杀菌功效，显着高于游离Cin和游离DN（图5）。机制研究、分子动力学模拟、蛋白质组学和代谢组学证明，Cin-T2A2组装体可通过多种机制杀死多重耐药葡萄球菌并根除生物被膜。此外，Cin-T2A2组装体在随后的小鼠感染模型中快速根除细菌并减轻炎症。Cin-T2A2组装体可以提供一种有效的非抗生素替代品，以应对与日俱增的耐药细菌及其生物被膜威胁。该研究成果以Two-Tailed Dynamic Covalent Amphiphile Combats Bacterial Biofilms为题发表于Advanced Materials上。

关键词：动态共价键、自组装、全原子模拟、抗菌机制、植物化学

全文亮点

1. 方法学创新。作者首次通过DN与天然抗菌醛之间的动态共价键合开发了一种非抗生素抗菌两亲物。与常用的化学键合策略不同，动态共价键合策略具有原子经济性和环境友好性，没有有害有机溶剂、复杂的化学合成步骤和有毒副产物。

2.多重抗菌机制。T2A2在消灭细菌方面远比NO供体和天然醛的物理组合更有效。机制研究、分子动力学模拟、蛋白质组学和代谢组学表明Cin-T2A2组装体通过细胞膜损伤和各种其他机制杀死耐多药葡萄球菌，并不会诱发进一步的多药耐药性。

3、杀菌消炎相结合。细菌生物膜通常会引起持续性炎症，因此在杀菌的同时应考虑由细菌感染引起的免疫细胞炎症反应。Cin-T2A2组装体可以有效地根除入侵的细菌并减轻炎症而不影响正常组织。

图文解析

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）。

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）。

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）。

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）。

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）。

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）。

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）。

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。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202301623

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。

课题组网站详见：http://wiucas.ac.cn/group/liuyong/1

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