基于多肽的刺激响应型复合纳米粒子的制备及其在抗菌治疗中的应用

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近年来,因为细菌感染的高发病率和高死亡率,其已经成为了全球最严重的健康问题之一,并引起了科学家和临床医生的持续关注。抗生素由于具有效率高、成本低等特点,其仍然是治疗细菌感染的首选策略,并在人类对抗细菌感染的过程中起着举足轻重的作用。但是,过度使用抗生素在治疗细菌感染的过程中会造成副作用同时,不可避免的将导致多重耐药细菌(MDR)的出现。尽管科学家已经研发出为数众多的新型抗生素及其制剂,多重耐药细菌的进化速度总是快于新型抗生素药剂的研发速度,这极大限制了抗生素的临床应用。另一方面,细菌在人体组织聚集后将形成一层由低渗透性胞外聚合物(EPS)构成的细菌生物膜(Biofilm)。这种细菌生物膜严重降低了抗生素对细菌的渗透能力,同时极大抑制了其治疗效果。另一方面,由于有机/无机复合纳米材料具有分散性好、生物相容性高、体内循环时间长以及具有靶向功能等优点,能够提高药物的生物利用度,增强制剂的抗细菌能力。同时,为降低化学药物的副作用,基于细菌感染部位微环境而设计的刺激响应性有机/无机复合纳米材料近年来也受到了科学家和临床医生的高度关注。基于以上考虑,开发一种疗效高、用量少、生物安全性好的抗菌制剂是解决耐药菌感染的有效方法。本论文中制备了一系列具有细菌感染微环境响应性的有机/无机复合纳米材料,并对其理化性质以及利用化学-光动力(PDT)联合手段治疗耐药菌感染进行了研究。此类材料具有生物相容性高、药物释放效率高、用量少等特点,有望成为一种高效安全的临床抗菌制剂。具体研究如下:(1)设计并制备了一种具有pH响应性电荷翻转功能的介孔二氧化硅/聚多肽纳米复合微球。首先通过三光气与N-羧基-L-谷氨酸-γ-苄酯以或N-ε-苄氧羰基-L-赖氨酸分别反应制备N-羧基-L-谷氨酸-γ-苄酯环内酸酐(BLG-NCA)和N-ε-苄氧羰基-L-赖氨酸环内酸酐(ZLL-NCA)。然后利用APTES对介孔二氧化硅微球进行改性制备氨化介孔二氧化硅微球(Meso-silica-NH2),利用Meso-silica-NH2表面氨基通过开环聚合同时引发BLG-NCA和ZLL-NCA开环聚合制备聚合物外壳介孔二氧化硅复合微球,并利用水解反应脱出保护基团制备介孔二氧化硅/多肽纳米复合微球。最终,然后通过酯化反应将阿奇霉素(AZT)键连于聚多肽外壳中,同时利用静电吸附作用将MB负载于介孔二氧化硅微球之中,制得了负载AZT和MB的pH响应性电荷翻转介孔二氧化硅/聚多肽纳米复合微球(MSPNs-AZT/MB)。通过1H-NMR、DLS、XPS、SEM、TEM、TGA 等手段对所制备的MSPNs-AZT/MB微球进行了理化性质的表征。结果表明,该MSPNs-AZT/MB微球粒径大小均匀,分散性能良好,化学结构与设计相符,有较好的热稳定性。其在正常生理pH条件下表面电荷为负,而在细菌感染部位的微酸环境下其表面电荷由负电转变为正电。这有利于MSPNs-AZT/MB微球与带负电的细菌细胞膜相结合,从而增强了纳米材料的对细菌感染部位的靶向作用。在pH和脂肪酶的刺激条件下,MSPNs-AZT/MB微球能够可控的释放出MB和AZT。通过660nm近红外光激光照射MSPNs-AZT/MB微球,所释放出的MB能够高效产生毒性单线态氧,从而有效杀灭细菌。在浮游细菌实验中,在pH 5.5和660nm近红外光激光照射条件下MSPNs-AZT/MB微球的MIC和MBC 比单一药物治疗提高四倍。在细菌生物膜实验中,与其他样品相比MSPNs-AZT/MB展现出较好的抗菌效果。同时,MSPNs-AZT/MB微球具有良好的生物相容性,当其浓度为512μg/mL AZT(16μg/mL MB)时溶血率仅为 2.62%。在浓度为 400μg/mL 时HUVEC细胞存活率为58.7%。在动物模型实验中,MSPNs-AZT/MB组相比于其他样品伤口愈合情况最佳。同时本论文中利用H&E染色和Masson染色对细菌感染部位和重要器官进行了组织学评价。通过实验结果表明,该纳米复合微球具有较好生物相容性以及化学-光动力协同抗耐药菌效果。(2)设计并制备了具有一种刺激响应性金属有机框架/多肽复合纳米材料。首先,通过封装策略,以二甲基咪唑为有机连接体和Zn(NO3)2·6H2O在常温搅拌下与环丙沙星(CIP)合成负载药物的沸石咪唑酯骨架结构材料ZIF-8-CIP。然后以丙烯胺为引发剂,引发BLG-NCA制备乙烯基封端聚谷氨酸苄酯(PBLG),并利用水解反应脱出保护基团制备乙烯基封端聚谷氨酸(PGA)。利用偶氮二异丁腈作为引发剂,EGDMA作为交联剂,利用自由基聚合反应在ZIF-8-CIP之外形成PGA交联外壳,同时利用静电吸附作用将MB负载于PGA外壳之中,形成ZIF-8/PGA-CIP/MB 复合纳米材料。利用 DLS、XPS、SEM、UV-Vis、FT-IR 等表征等手段对所制备的ZIF-8/PGA-CIP/MB进行了理化性质的表征,通过SEM的观察,复合纳米材料具有与ZIF-8相同的十二面晶体形状,并且分散性良好;同时复合纳米材料具有ZIF-8晶体结构特征,UV-Vis的表征显示了 ZIF-8/NPs-CIP-MB在277 nm(CIP)和665 nm(MB)处的紫外吸收峰,证明了药物成功装载。实验中模拟了细菌细胞环境,在不同pH和脂肪酶条件下对复合纳米材料的药物释放性能进行了研究。结果表明,在酸性条件和脂肪酶的作用下,复合纳米材料能够可控抗细菌治疗因子。综上,本课题制备的刺激响应性金属有机框架/多肽复合纳米材料具有良好的pH以及脂肪酶响应性,具有良好的细菌治疗应用前景。
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