浙江大学计剑、金桥研究团队在“利用”和“改造”微环境抗细菌生物被膜上取得系列进展

　　生物被膜是细菌在自然界生存的主要形式，65%以上的临床感染与生物被膜相关。受细菌生长繁殖的影响，细菌生物被膜具有与正常组织不同的特殊微环境，如酸性pH值、乏氧、高GSH浓度、过表达的特异性酶、群体效应梯度等。生物被膜的特殊微环境对细菌耐药性的产生、持留菌的形成等具有重要的影响。针对细菌生物被膜这一抗感染治疗的难题，浙江大学计剑、金桥研究团队通过利用和改造生物被膜微环境设计了一系列药物递送系统，克服细菌生物被膜耐药性，取得了系列研究进展：

　　一、利用生物被膜微酸环境设计可同时智能调控尺寸和电荷的阿奇霉素纳米载体，增强抗生素在生物被膜中的渗透和滞留，提高阿奇霉素的抗菌性能

　　阿奇霉素是临床常用的抗生素，能抑制细菌生物被膜的形成，具有优异的杀菌效果。然而，阿奇霉素对已经形成的生物被膜疗效非常不明显。为了提高阿奇霉素对已经形成的生物被膜的疗效，研究团队从共价键合了阿奇霉素的树枝状大分子PAMAM出发，设计了可同时智能调控尺寸和表面电荷的阿奇霉素纳米载体，利用细菌生物被膜酸性微环境实现了纳米粒子的尺寸由大变小和电荷由负变正，增强了阿奇霉素纳米载体在细菌生物被膜中的渗透和滞留，并利用PAMAM提高了细菌的膜通透性，增加了细菌内阿奇霉素的含量，提高了阿奇霉素的杀菌性能，对生物被膜的杀伤能力提高了三个数量级，且减少了细菌耐药性的产生，在小鼠的细菌性肺炎治疗上取得了优异的效果。这一抗生素递送策略发展了提高大环内酯类抗生素抗生物被膜能力的新方法，相关研究成果以“Size and Charge Adaptive Clustered Nanoparticles Targeting Biofilm Microenvironment for Chronic Lung Infection Management”为题在线发表在ACS Nano（DOI：10.1021/acsnano.0c00269）上，第一作者为博士生高祎璠，通讯作者为金桥副教授和计剑教授。

　　二、利用感染组织微酸环境设计智能纳米载体，在不影响多粘菌素B杀菌性能的前提下提高其生物安全性

　　多粘菌素B对革兰氏阴性菌具有非常出色的杀菌作用，被称为预防革兰氏阴性菌感染的最后一道防线。然而，多粘菌素B在人体内会导致严重的肾毒性和神经毒性，这使多粘菌素B无法进行静脉注射，限制了它在临床上的应用。针对多粘菌素B的严重毒副作用，研究团队设计了pH敏感的壳聚糖—多粘菌素B纳米复合物，通过壳聚糖的保护提高多粘菌素B的生物安全性，在感染组织酸性环境刺激下，多粘菌素B能有效释放，发挥优异的杀菌性能，相关研究成果以“Polymyxin B-polysaccharide polyion nanocomplex with improved biocompatibility and unaffected antibacterial activity for acute lung infection management”为题发表在 Advanced Healthcare Materials（2020, 9, 1901542）上，第一作者为硕士生柴梦莹，通讯作者为金桥副教授。

　　三、通过氧气的递送改善生物被膜乏氧微环境，克服生物被膜耐药性

　　细菌生物被膜是众多难治性感染的主要原因，能通过包括药物外排、胞外基质阻碍、休眠效应、群体效应等一系列机制实现对抗生素的耐药。这些重要耐药机制在病理学上与生物被膜的乏氧微环境存在内在关联。基于该病理学原理，研究团队提出了先改善细菌生物被膜乏氧微环境再用抗生素进行治疗的全新模式。通过全氟化碳脂质体处理，有效改善了细菌生物被膜的乏氧微环境，抑制了药物外排泵、群体效应等耐药相关基因的表达，克服生物被膜耐药性，极大地提高了头孢他啶、氨曲南等多种抗生素的杀菌效果。改善生物被膜乏氧微环境可作为一种广谱的提高抗生素杀菌能力的新方法，将为应对后抗生素时代细菌生物被膜耐药性问题提供简单而行之有效的解决方案，具有巨大的应用潜力，相关研究成果以“Relief of Biofilm Hypoxia Using an Oxygen Nanocarrier: A New Paradigm for Enhanced Antibiotic Therapy”为题被 Advanced Science接收（DOI: 10.1002/advs.202000398）上，第一作者为博士生胡登峰，通讯作者为金桥副教授和计剑教授。

　　四、通过一氧化氮改造生物被膜的高GSH微环境，协同提高光动力学抗生物被膜能力

　　由于不会产生耐药性，光动力学治疗在抗细菌生物被膜上具有很大的应用潜力。然后，细菌生物被膜中高浓度的GSH会消耗光动力学治疗产生的活性氧而影响杀菌性能。针对这一问题，研究团队设计了 pH响应电荷逆转的一氧化氮和光敏剂Ce6共传递纳米载体，通过pH响应电荷逆转实现纳米载体的生物被膜中的高效渗透。同时，纳米载体释放的一氧化氮能消耗生物被膜中的GSH，有效避免了光动力学治疗产生的活性氧与GSH反应而被消耗，提高了光动力学清除生物被膜的能力，相关研究成果以“Surface Charge Switchable Supramolecular Nanocarriers for Nitric Oxide Synergistic Photodynamic Eradication of Biofilms”为题发表在ACS Nano（2020, 14, 347-359）上，第一作者为博士生胡登峰和邓永岩，通讯作者为金桥副教授和计剑教授。

　　来源：高分子科学前沿

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