功能化金纳米材料用于细菌检测及多药耐药感染治疗

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以ESKAPE为代表的多药耐药细菌感染已成为全球公共卫生最严重的威胁之一。当前,传统小分子抗生素的开发越发困难,已无法应对日益严峻的多药耐药感染。随着纳米医学的发展,多种基于纳米材料的抗菌药物已被广泛开发并用于多药耐药感染治疗。然而,这些抗菌材料大多具有较高的细胞毒性,对哺乳动物细胞也会造成伤害。金纳米材料因其独特的物理化学性质和卓越的生物相容性而被广泛应用于生物分析、肿瘤治疗、药物负载、疾病诊断等各个领域。最新的研究显示金纳米材料除可用于抗菌药物负载外,还可通过表面配体修饰或结构控制获得抗菌活性,进而用于细菌感染治疗。此外,由于独特的光学性质,金纳米材料(如荧光金纳米簇)还被应用于细菌的特异性检测。目前,开发基于金纳米结构的抗菌物质和纳米诊疗探针已成为金纳米材料生物医学应用最热门的方向之一。因此,进一步开发新型金纳米材料用于应对细菌特别是多药耐药细菌感染的诊断与治疗,具有十分重要的意义。本文研究了金纳米簇、金纳米多面体在多药耐药细菌检测和感染治疗方面的应用潜力,重点关注了表面配体、尺寸、晶面构型以及抗菌肽结合对金纳米材料抗菌性能的影响。利用金纳米簇的聚集诱导发光增强效应获得强烈荧光发射的纳米荧光探针,实现了对鲍曼不动杆菌的非标记荧光检测。以一系列结构类似的巯基嘧啶为配体合成超小的金纳米簇,从中筛选获得对多种多药耐药细菌具有强烈抗菌活性的金纳米抗生素,并进一步研究了尺寸、抗菌肽负载对其抗菌性能的影响和作用机制。此外,通过合成不同晶面构型的金纳米晶体,进一步探讨了晶面构型对金纳米晶体抗菌活性的影响。具体结果如下:(1)通过改变HAuCl4与硫醇配体的比例和反应条件,合成微弱荧光发射的金纳米簇,通过引入一定浓度的银离子可诱导该金纳米簇发生聚集诱导荧光增强,获得强烈荧光发射的金银合金纳米簇。金银合金纳米簇的荧光能快速的被鲍曼不动杆菌特异性的猝灭,因此可用于鲍曼不动杆菌的特异性非标记检测,线性范围为1×104–5×107 CFU/mL,检测限可达2.3×103 CFU/mL,适用于临床样本鲍曼不动杆菌的快速分析。(2)以4-氨基-2-巯基嘧啶(AMP)、4,6-二氨基-2-巯基嘧啶(DAMP)、4-氨基-6-羟基-2-巯基嘧啶(AHMP)和4,6-二羟基-2-巯基嘧啶(DHMP)等4种结构类似的巯基嘧啶为配体,通过一步水热反应获得超小的金纳米簇。以临床分离的多药耐药大肠杆菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和耐万古霉素肠球菌6株病原菌为代表,从中筛选到1种对这6种多药耐药细菌均具有强烈抗菌效果的纳米抗生素(AuDAMP),最低抑菌浓度可低至2-8μg/mL。连续30天的耐药性研究显示细菌很难对AuDAMP产生耐药性。抗菌机制研究显示AuDAMP的抗菌性能主要归功于其自身固有的氧化酶和过氧化物酶模拟酶活性催化细胞内活性氧(ROS)生成和细胞膜、DNA损伤。尺寸效应研究发现DAMP介导的大颗粒金纳米粒子抗菌活性显著低于AuDAMP。细胞毒性评估显示AuDAMP对动物细胞具有卓越的生物相容性,在浓度高达256μg/mL条件下细胞活性仍高达85%以上。巨噬细胞感染模型、小鼠感染模型均显示AuDAMP具有较好的体内感染治疗能力,在多药耐药感染治疗方面具有潜在的应用潜力。(3)以AuDAMP为基础,通过酰胺键与抗菌肽达托霉素连接可诱导聚集诱导发光(AIE)增强和协同抗菌效应。相比将金纳米簇和达托霉素简单的混合,共轭形成的共轭结构中局部高浓度的达托霉素和AuDAMP可有效的破坏耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)细胞膜和诱导MRSA细胞内ROS生成。细胞膜的破坏又反过来促进了AuDAMP进入细胞,诱导细胞内组分的泄漏和DNA的损伤,进而表现出强烈的抗菌活性。连续不断的ROS损伤也降低了细菌产生耐药性的可能性。此外,AuDAMP和达托霉素共轭连接还可诱导强烈的AIE荧光增强,该AIE现象与经典的溶剂诱导的和离子诱导的AIE均不相同。该策略为多药耐药感染治疗和新型荧光AIE材料开发提供了新的方向。(4)以十六烷基三甲基氯化铵为表面活性剂,通过种子法合成了5种不同晶面构型的金纳米结构,即{100}晶面的金纳米立方块、{110}晶面的金八面体、{111}晶面的金十二面体、{221}晶面的金二十四面体和{720}晶面的凹形金纳米立方块。以金黄色葡萄球菌为代表菌株,抗菌活性研究显示{221}和{720}两种高指数晶面的金纳米结构基本没有抗菌活性,而低指数晶面的{100}、{110}、{111}3种金纳米结构均显示出不同程度的抗菌能力,表现出显著的晶面依赖性,其中{110}晶面的金纳米晶体抗菌活性最强,最低抑菌浓度低至0.5 cm2/mL晶面。抗菌机制显示该晶面依赖的抗菌能力与金纳米结构导致的细胞膜损伤、细胞酶活性以及能量代谢抑制有关,而与ROS氧化应激基本无关。
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