中科院蘇州醫(yī)工所納米抗菌材料研究取得進(jìn)展

全世界范圍內(nèi)對(duì)抗生素的濫用導(dǎo)致許多病原菌對(duì)抗生素產(chǎn)生了耐藥性，“超級(jí)細(xì)菌”的出現(xiàn)和廣泛流行使感染性疾病的治療再次成為難題。盡管仍在開(kāi)發(fā)新的抗生素，但開(kāi)發(fā)速度落后于病原菌耐藥發(fā)展的速度。因此，迫切需要新的抗菌劑或治療策略來(lái)對(duì)抗高度耐藥的細(xì)菌。

光熱治療（photothermal therapy，PTT）是一種基于光化學(xué)反應(yīng)的微創(chuàng)技術(shù)，通過(guò)將光能轉(zhuǎn)化成熱能，從而殺死細(xì)菌。其物理特性的治療機(jī)制使其在治療細(xì)菌感染時(shí)可以避免耐藥性的產(chǎn)生。PTT的核心是強(qiáng)光轉(zhuǎn)化效率納米材料的開(kāi)發(fā)。光熱納米材料的研發(fā)是被廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)，材料涉及貴金屬、半導(dǎo)體、碳納米材料和有機(jī)化合物等，它們均表現(xiàn)出較好的光熱效果與殺菌效果。但由于這些材料對(duì)細(xì)菌缺乏特異性，光熱效果在殺菌的同時(shí)容易對(duì)宿主細(xì)胞造成傷害，因此對(duì)其利用只能停留在體外階段，所以研發(fā)具有特異性的光熱殺菌材料十分重要。

MurD連接酶是細(xì)菌細(xì)胞壁合成中重要的酶，主要作用是催化中間產(chǎn)物與D-谷氨酸（D-Glu）結(jié)合。由于該酶只存在于原核生物中，并且只有原核生物能夠利用D型的氨基酸，所以D-Glu衍生物常被用于研發(fā)抗菌劑，可以通過(guò)抑制細(xì)胞壁合成達(dá)到抗菌的目的。

近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所宋一之課題組和董文飛課題組以此為靶點(diǎn)，共同設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出一種新型細(xì)菌特異性結(jié)合的納米抗菌碳點(diǎn)BAPTCDs（Bacteria-Affinitive Photothermal Carbon Dots），設(shè)計(jì)原理如圖1所示，BAPTCDs由鄰苯二胺和D-Glu通過(guò)溶劑熱的方法合成，可以特異性結(jié)合細(xì)菌，并在激光照射下迅速升溫，破壞細(xì)菌細(xì)胞壁并殺死細(xì)菌。

圖1 BAPTCDs合成和作用機(jī)理示意圖

BAPTCDs的升溫效果會(huì)隨著材料濃度和激光功率的升高而升高，因此后期使用可以通過(guò)材料濃度和激光功率靈活調(diào)節(jié)升溫效果（圖2）。BAPTCDs的D型結(jié)構(gòu)使其本身可以通過(guò)侵入細(xì)菌細(xì)胞壁殺死細(xì)菌，達(dá)到80%以上的殺菌效率。結(jié)合激光器照射產(chǎn)生的高溫，該材料可以殺死96.33%的大腸桿菌（ATCC 700926）和接近100%的金黃色葡萄球菌（ATCC 29213）。碳點(diǎn)材料本身具有穩(wěn)定性高、熒光量子效率高、水溶性好和無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，因此該材料具有較好的應(yīng)用前景（圖3）。

圖2 BAPTCDs光熱效果圖（圖A為不同濃度BAPTCDs在808nm激光器1.5W/cm2功率照射下的升溫情況，圖B為200μg/ml BAPTCDs溶液在不同激光功率下的溫度變化情況）

圖3 BAPTCDs在不同環(huán)境中的存活數(shù)量變化（從左到右分別為大腸桿菌ATCC 700926和金黃色葡萄球菌ATCC 29213在PBS、近紅外激光、BAPTCDs溶液和BAPTCDs與近紅外共同作用下的結(jié)果。圖A為標(biāo)準(zhǔn)平板法結(jié)果，圖B和圖C為菌落數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果）

相關(guān)科研究成果以“Design,synthesis,and application of carbon dots with synergistic antibacterial activity”為題，發(fā)表在Frontiers in Bioengineering and Biotechnology上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目和江蘇省自然科學(xué)基金等的支持。