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中山大學(xué)岳軍課題組《Chem. Mater.》:工程化陽(yáng)離子超支化聚脲抗細(xì)菌生物膜研究
2023-06-14  來源:高分子科技

  由細(xì)菌生物膜引起的感染性疾病給人類健康帶來了重大危害。生物膜的胞外聚合物基質(zhì)阻礙傳統(tǒng)抗菌劑滲透至生物被膜內(nèi)部,極大地增加了生物膜的清除難度。此外,常規(guī)用量的抗生素對(duì)由生物膜引起的感染收效甚微,加大抗生素的劑量不僅給機(jī)體帶來更強(qiáng)的毒副作用,而且加劇誘導(dǎo)細(xì)菌耐藥性的發(fā)展。陽(yáng)離子抗菌聚合物作為一種新型的抗菌材料,具有廣譜的殺菌活性,且不會(huì)引發(fā)細(xì)菌的耐藥性。前期基于浮游菌篩查的相關(guān)研究表明,陽(yáng)離子聚合物鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響其殺菌活性,例如,具有緊湊結(jié)構(gòu)的樹狀高分子或超支化聚合物,往往具有較高的抗菌活性。然而,已有的基于浮游菌篩查的研究結(jié)果并不適用于生物膜體系,這是因?yàn)樯锬ぶ械募?xì)菌無論是基因表達(dá),還是代謝活性,都與浮游態(tài)下的細(xì)菌有較大的差異。因此,陽(yáng)離子聚合物鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何影響其對(duì)抗細(xì)菌生物膜的作用效果仍有待深入研究。


  近日,中山大學(xué)岳軍課題組報(bào)道了一種兩親性超支化聚脲材料,其支化末端修飾了具有廣譜抗菌作用的季銨鹽基團(tuán)(aBPUs@QA),分子內(nèi)基于脲基的氫鍵相互作用使得aBPUs@QA的結(jié)構(gòu)極為緊湊,大大提高了材料表面季銨鹽的相對(duì)密度。為了驗(yàn)證這種超支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)聚合物材料抑制和清除生物膜能力的重要性,作者同時(shí)合成了另外兩種聚合物作為對(duì)照:一種是含有相同數(shù)量季銨鹽基團(tuán)的線性聚合物L-pQA);另一種是支化末端接枝聚乙二醇的超支化聚合物(aBPUs@PEG)。系統(tǒng)研究了三種聚合物對(duì)生物膜形成過程中典型的三個(gè)階段的影響,包括細(xì)菌在固體表面粘附、群落形成相關(guān)的細(xì)菌模式運(yùn)動(dòng)以及成熟的生物膜。最后對(duì)比分析了它們?cè)谥委熉詡诟腥局械?/span>作用效果(圖1 


1. 季銨化超支化聚脲(aBPUs@QA)的抗生物膜策略。


  細(xì)菌附著在固體表面是形成生物膜的第一步。為了研究aBPUs@QA是否能夠影響細(xì)菌附著和隨后的生物膜形成,使用亞抑制濃度的聚合物處理細(xì)菌后,將預(yù)處理后仍然存活的相同數(shù)量的細(xì)菌轉(zhuǎn)移到共聚焦培養(yǎng)皿或培養(yǎng)板中,利用CLSM觀察細(xì)菌生物膜,并使用結(jié)晶紫測(cè)定生物量。結(jié)果顯示(圖2aBPUs@PEGL-pQA處理相比,經(jīng)aBPUs@QA處理后,細(xì)菌在固體表面形成的生物膜量明顯減少,這與改變的細(xì)胞膜電位變化有關(guān)。 


2. aBPUs@QA能夠有效減少細(xì)菌在固體表面的附著。


  此外,細(xì)菌生物膜的形成還與細(xì)菌在基材表面的運(yùn)動(dòng)行為有關(guān)。細(xì)菌可以通過群集或蹭動(dòng)等運(yùn)動(dòng)行為來獲取更好的養(yǎng)分。群集行為和蹭動(dòng)行為在生物膜形成或成熟生物膜分散的早期階段起作用。如圖3所示,在群集行為中,aBPUs@QA通過抑制大腸桿菌群落在固體表面向外擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)益阻止細(xì)菌群落擴(kuò)張,抑制生物膜的形成。而在蹭動(dòng)行為中,aBPUs@QA通過促進(jìn)大腸桿菌由鞭毛驅(qū)動(dòng)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)行為,促進(jìn)單個(gè)細(xì)菌的快速移動(dòng),從而抑制生物膜的形成。而金黃色葡萄球菌可能由于缺乏菌毛和鞭毛,因此對(duì)聚合物的處理不敏感。 


3. aBPUs@QA干擾細(xì)菌在固體表面的相關(guān)運(yùn)動(dòng)行為。


  對(duì)于成熟生物膜,抗菌材料在其中的滲透能力直接關(guān)系到抗菌材料對(duì)生物膜內(nèi)部細(xì)菌的殺傷能力。為此,作者利用含雜原子材料自身固有的熒光發(fā)射特性,研究了三種聚合物在成熟生物膜中的滲透性,并評(píng)估了各自的生物膜清除能力。L-pQAaBPUs@PEG相比,aBPUs@QA在成熟生物膜中展現(xiàn)出最強(qiáng)的縱向熒光分布,表明其較強(qiáng)的滲透能力(圖4)。此外,隨著聚合物濃度的提高,aBPUs@QA在革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌、以及耐藥菌株的生物膜中均展現(xiàn)出更加優(yōu)異的生物膜清除能力。 


4. aBPUs@QA具有較強(qiáng)的生物膜滲透能力和較高的生物膜清除能力。


  最后,以金黃色葡萄球菌感染的糖尿病傷口為模型,對(duì)比考察了aBPUs@QA在治療生物膜感染性疾病中的作用效果。如圖5所示,與生理鹽水組對(duì)比,L-pQAaBPUs@PEG對(duì)于感染傷口幾乎沒有治療效果aBPUs@QA則能有效控制傷口處生物膜引起的感染,并加速糖尿病感染傷口的愈合。 


5. aBPUs@QA有效促進(jìn)金黃色葡萄球菌感染的糖尿病傷口愈合。


  以上研究成果以“Engineering cationic hyperbranched polyureas for combating bacterial biofilms”為題,發(fā)表于Chemistry of Materials, 2023, doi: 10.1021/acs.chemmater.3c00242)。中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院岳軍副教授為通訊作者,碩士研究生羅堯余國(guó)益為共同第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)的資助。


  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.3c00242

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