中山大學(xué)岳軍課題組《Chem. Mater.》：工程化陽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，陽離子聚合物鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會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，陽離子聚合物鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何影響其對抗細(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密度。為了驗(yàn)證這種超支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對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)菌在固體表面的粘附、群落形成相關(guān)的細(xì)菌模式運(yùn)動、以及成熟的生物膜。最后對比分析了它們在治療慢性傷口感染中的作用效果（圖1）。

圖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)晶紫測定生物量。結(jié)果顯示（圖2），與aBPUs@PEG或L-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)。

圖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)動行為有關(guān)。細(xì)菌可以通過群集或蹭動等運(yùn)動行為來獲取更好的養(yǎng)分。群集行為和蹭動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)動益阻止細(xì)菌群落的擴(kuò)張，抑制生物膜的形成。而在蹭動行為中，aBPUs@QA通過促進(jìn)大腸桿菌由鞭毛驅(qū)動的相關(guān)運(yùn)動行為，促進(jìn)單個(gè)細(xì)菌的快速移動，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，因此對聚合物的處理不敏感。

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

對于成熟生物膜，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，并評估了各自的生物膜清除能力。與L-pQA和aBPUs@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。

圖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，與生理鹽水組對比，L-pQA和aBPUs@PEG對于感染傷口幾乎沒有治療效果，而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。

圖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，碩士研究生羅堯和余國益為共同第一作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會和深圳市科技創(chuàng)新委員會的資助。

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

版權(quán)與免責(zé)聲明：中國聚合物網(wǎng)原創(chuàng)文章�？锘蛎襟w如需轉(zhuǎn)載，請聯(lián)系郵箱：info@polymer.cn，并請注明出處。

（責(zé)任編輯：xu）

【大中小】【打印】【關(guān)閉】

相關(guān)新聞

誠邀關(guān)注高分子科技

更多>>最新資訊

更多>>科教新聞

免费av大片在线看_日本久久东京热午夜_日韩欧美亚洲中文字幕国_大战刚结婚的少妇_亚洲AV成人综合网成人_91九色丨PORNY丨交换_成人动漫网站_欧美在线专区

誠邀關(guān)注高分子科技