基于納米顆粒靶向細菌的策略及機制的研究進展

駱智淵，石亭旺，阮澤松，陳云豐

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院骨科，上海 200233

抗生素耐藥危機是全球公共衛(wèi)生中最緊迫的問題之一。世界衛(wèi)生組織2017 年的一份報告指出，感染性疾病是影響全球發(fā)病率和死亡率的主要原因之一，由于抗生素耐藥產(chǎn)生的治療費用約為5萬美元/人，每年的社會支出約為200億美元［1］。對此，近年來新興的納米材料為解決上述問題提供了一條可能的新途徑。

納米顆粒（nanoparticles，NPs）是一類大小在納米尺度的材料，與傳統(tǒng)的抗菌藥物相比，其獨特優(yōu)勢主要體現(xiàn)在2 個方面：一是NPs 的抗菌機制對細菌來說是新的，因此有可能繞過已有的細菌耐藥性機制；二是NPs 材料表面易于修飾，可以實現(xiàn)多種功能化，包括對細菌部位的靶向［2-3］。20 世紀(jì)初，PAUL［4］提出一種“神奇子彈”的想法，即開發(fā)一種能選擇性地瞄準(zhǔn)體內(nèi)部分組織的載體，彼時對NPs的研究開始興起。如今，NPs已被廣泛應(yīng)用于制藥和醫(yī)療領(lǐng)域，尤其在癌癥治療領(lǐng)域，提高抗癌藥物療效和靶向性的研究較多；而靶向細菌方面的研究相對較少［5］。傳統(tǒng)藥物如抗生素在殺死致病菌的同時，還會殺死人體內(nèi)大量的正常菌群，從而造成機體功能紊亂；而靶向治療不僅能提高藥物療效，還能降低用藥所需濃度，從而減少藥物的毒性和健康組織的不良反應(yīng)。

本文對常見的抗菌NPs做一概述，并從表面功能化、環(huán)境響應(yīng)以及細胞膜仿生修飾這3 種常用的細菌靶向策略出發(fā)，介紹其基本機制以及最新的研究成果。

1 NPs概述

NPs 是有機、無機或混合粒子，直徑一般小于100 nm，但部分NPs的直徑也可達到500 nm 以上［6］。NPs的結(jié)構(gòu)和形態(tài)多種多樣，棒狀、金字塔形、二維平面形、球體等結(jié)構(gòu)的NPs已有報道，其內(nèi)部為中空或?qū)嵭模?］。由于NPs 的大小與亞細胞結(jié)構(gòu)接近，因此具有獨特的物理化學(xué)特性［8］。常用的抗菌NPs 材料包括金屬基材料、碳基材料、聚合物、復(fù)合材料、納米乳液、脂質(zhì)體以及智能材料［6］。

1.1 NPs材料

1.1.1 金屬基材料 由純金屬或其化合物組成，常見的抗菌機制包括破壞細胞膜功能和催化活性氧的產(chǎn)生。已有研究［9］證明，金屬基NPs 在治療多種耐多藥細菌感染中具有顯著的作用，其中納米銀（sliver nanoparticles，AgNPs）是目前研究最成熟的金屬抗菌劑。

1.1.2 碳基材料 包括碳量子點、碳納米管和石墨烯等。常見抗菌機制包括物理損傷和化學(xué)損傷，但具體原理目前尚未清晰［10］。

1.1.3 聚合物材料 聚合物材料可以是天然的，也可以人工合成。聚合物可被制成具有pH 響應(yīng)的抗菌劑［11］，也可被用作納米載體，以增加藥物的溶解性和穩(wěn)定性［12］。

1.1.4 其他 復(fù)合材料是一類將有機材料和無機材料整合在一起的新型材料。納米乳液和脂質(zhì)體可作為藥物的載體，調(diào)節(jié)藥物的穩(wěn)定性和溶解性。智能材料是一類可以對外界刺激做出反應(yīng)的材料，與對細菌的靶向治療有密切關(guān)系［6］。

2 靶向策略

2.1 表面功能化

NPs 的物理化學(xué)特性受其大小、形狀以及表面特性等參數(shù)的影響，因此可通過調(diào)整NPs 的大小、形狀，或選擇合適的功能基團對NPs表面進行修飾，從而實現(xiàn)NPs 的功能化［13］。靶向機體中細菌的能力，是NPs功能化的重要方向之一。

2.1.1 表面改性 與哺乳動物的細胞不同，細菌的細胞膜中富含帶負電荷的酸性磷脂（如磷脂酰甘油和心磷脂），整體呈負電性［3］。因此通過將藥物設(shè)計成帶陽離子的小分子，可使其更容易被細菌所捕獲，從而實現(xiàn)對細菌細胞的選擇性。ZHANG 等［14］觀察了帶不同電性的AgNPs 在藻類中的累積情況，發(fā)現(xiàn)帶正電荷較多的AgNPs 累積速度明顯高于帶負電荷的粒子，表明納米粒子的生物行為與表面電性明顯相關(guān)。LAM 等［15］將帶正電荷的抗菌肽作為靶向細菌的成分結(jié)合在NPs表面，經(jīng)過該NPs處理的腹膜炎小鼠模型的血液中細菌計數(shù)減少超過99%。

NPs 的大小同樣影響其殺菌活性。HUO 等［16］發(fā)現(xiàn)NPs的抗菌活性隨著顆粒直徑增大而增強，其原因可能為NPs曲率減小后其表面的配體密度上升。

除了電性和大小，細菌細胞膜的彈性與真核細胞相比也存在明顯差異。ELBOURNE 等［17］將鎵基液態(tài)金屬（liquid metal，LM）暴露于周期性變化的磁場中，使其形成銳利的邊緣切割細菌表面，體外實驗顯示超過99%的細菌無法存活，電鏡下觀察到細菌的細胞膜遭到破壞，而真核細胞幾乎沒有受到傷害。這可能是因為真核細胞膜表面的順應(yīng)性更好，面積更大，有利于分散應(yīng)力。

2.1.2 表面修飾 配體分子的種類包括各種小分子和聚合物大分子，目前已被廣泛用于修飾NPs 表面，調(diào)節(jié)粒子的親疏水性、細胞毒性、生物相容性以及與細胞間的相互作用［18］。利用配體分子和細菌表面的相互作用，可賦予NPs靶向細菌的能力。

萬古霉素通過氫鍵選擇性地作用于細菌細胞壁中的糖蛋白，可作為靶向細菌的配體。WANG 等［19］制備了萬古霉素修飾的金納米星材料，能特異性地與金黃色葡萄球菌結(jié)合。此外，細菌造成的感染往往與炎癥并存，通過靶向在炎癥部位特異性表達的分子，可間接實現(xiàn)對細菌的靶向。KANG 等［20］采用淋巴細胞功能相關(guān)抗原（lymphocyte function associated antigen，LFA-1）修飾NPs，利用LFA-1 與在炎癥部位特異表達的細胞間黏附分子（intercellular adhesion molecule，ICAM-1）間的相互作用，向炎癥部位精準(zhǔn)遞送抗炎藥物。

抗原抗體反應(yīng)的原理是抗原決定簇和抗體分子之間空間結(jié)構(gòu)互補，具有高度的特異性，這種特異性可用于疾病的診斷和治療。多種抗體?藥物偶聯(lián)物（antibody-antibiotic conjugate，ADC）已被臨床用于治療各種類型的癌癥，LEHAR 等［21］首先想到采用類似的策略靶向細菌感染。他們將抗生素與患者抗體偶聯(lián)制成ADC，該藥物目前已進入臨床試驗。GALANZHA 等［22］將抗金黃色葡萄球菌A 蛋白和脂蛋白的抗體偶聯(lián)到納米金（gold nanoparticles，AuNPs）的表面，實現(xiàn)了無創(chuàng)、高度敏感的診斷和有效的治療，該方法可用于超靈敏檢測血循環(huán)細菌數(shù)，其檢測閾值小于每毫升1個細菌。

核酸適配體也叫適體或適配子，是采用特定技術(shù)從寡核苷酸庫中篩選得到，能與靶標(biāo)特異性結(jié)合的單鏈核酸分子。近年來其廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，具有高特異性、高親和力、易制備等優(yōu)勢，也是靶向配體的選擇之一。CHEN 等［23］將適配子和納米酶包裹在透明質(zhì)酸（hyaluronic acid，HA）殼內(nèi)，通過適配子的特異性識別和HA 在感染部位分解的聯(lián)合作用，大大增強了NPs對細菌的靶向能力；熒光顯微鏡下可觀察到NPs聚集于菌體周圍，經(jīng)NPs處理后的菌液涂布于培養(yǎng)基上，未見明顯菌落。

2.2 環(huán)境響應(yīng)

20 世紀(jì)70 年代末，環(huán)境響應(yīng)型載體的概念首次被提出，YATVIN 等［24］在當(dāng)時使用熱敏脂質(zhì)體來實現(xiàn)局部釋放藥物，此后大量研究不斷涌現(xiàn)。環(huán)境響應(yīng)型載體以物理刺激如光［25］、溫度［26-27］、磁場［28-30］、超聲波［31］，化學(xué)刺激如pH［32-33］、活性氧，生物刺激如細菌蛋白［34］、酶等作為誘導(dǎo)因素，實現(xiàn)對細菌感染部位的靶向。

2.2.1 物理刺激 通過物理刺激釋藥的機制，是利用NPs 獨特的光熱、磁性等物理特性選擇性破壞藥物的載體，使藥物釋放。MEEKER 等［26］將抗生素包裹在金納米籠中，該結(jié)構(gòu)會在激光照射下擴張而釋放出其中的抗生素；因此通過在感染的特定部位照射激光， 可以實現(xiàn)藥物在局部富集；MOHAPATRA等［28］將萬古霉素搭載在磁性納米顆粒上，兩者以在磁場刺激下易發(fā)生斷裂的化學(xué)鍵相連接，隨后研究者通過改變磁場的強度、頻率等，探究釋藥的最佳條件。

2.2.2 化學(xué)刺激 腫瘤微環(huán)境的概念由來已久，受其啟發(fā)，人們發(fā)現(xiàn)在細菌與免疫系統(tǒng)對抗的過程中，同樣會形成一個低pH、具有獨特的酶和血管活化的感染微環(huán)境，以這種感染微環(huán)境為靶點，可以開發(fā)新的給藥系統(tǒng)［35］。WU 等［32］開發(fā)的自組裝銀納米簇，會在生物膜周圍的酸性微環(huán)境中發(fā)生電性改變，微粒間的斥力大于引力，進而分解成小型銀納米團簇，實現(xiàn)智能響應(yīng)和深度穿透。實驗中對比pH 為5.5 和7.4的環(huán)境，前者的銀離子釋放量顯著大于后者，殺菌活性也大幅增強。

在炎癥反應(yīng)中，活化的免疫細胞會產(chǎn)生高水平的活性氧（reactive oxygen species，ROS）以清除病原體，這種過表達的ROS 亦可作為診斷和給藥的靶點。MA 等［36］將激素和雙光子熒光團連接后包埋在兩親性聚合物中形成納米結(jié)構(gòu)，分子間的ROS 敏感鍵在細菌周圍發(fā)生二級斷裂分別釋放激素和熒光團，從而實現(xiàn)靶向與診療的結(jié)合。

2.2.3 生物刺激 細菌的成分包括蛋白質(zhì)、多糖、核酸等，這些成分均可作為NPs靶向的位點。以細菌的毒素蛋白為例：WU 等［34］將過氧化鈣和抗生素包裹在脂質(zhì)體上，當(dāng)遭遇毒素時，材料表面形成孔洞使水進入，水分子和過氧化鈣反應(yīng)生成氣體，推動抗生素的釋放。

此外，細菌在感染部位會分泌多種酶，包括透明質(zhì)酸酶、脂肪酶、磷脂酶、磷酸酶等，許多生物分子如透明質(zhì)酸、聚磷酸鹽、聚酯等，都可以被這些酶降解，從而導(dǎo)致抗菌藥物的釋放［37］。LI 等［38］將萬古霉素包裹在明膠超分子中，外面裹以紅細胞膜，該結(jié)構(gòu)可在感染微環(huán)境中過表達的明膠酶作用下分解，而外包的生物膜可起到解毒的作用。

2.2.4 復(fù)合刺激 隨著環(huán)境響應(yīng)型納米藥物研究的進展，靶向疾病微環(huán)境不再局限于單一刺激，同時具備多種響應(yīng)機制的給藥系統(tǒng)應(yīng)運而生。復(fù)合刺激響應(yīng)給藥系統(tǒng)的有效性取決于單個刺激的顯著程度，具體機 制［37］包 括pH/酶、pH/活 性 氧、pH/溫 度 等。CHEN 等［39］采用膠束大分子載體包封環(huán)丙沙星，該結(jié)構(gòu)會被感染部位過表達的酶降解，同時用pH 敏感鍵連接萬古霉素，從而實現(xiàn)在酸性和富含酶的環(huán)境中依次釋放萬古霉素和環(huán)丙沙星的目的。

環(huán)境響應(yīng)型載體克服了傳統(tǒng)抗生素難以穿透生物膜以及不良反應(yīng)嚴(yán)重的缺點，顯示出巨大的應(yīng)用前景。然而該領(lǐng)域仍面臨很多挑戰(zhàn)，如光的組織穿透深度有限，會限制其在深部感染中的應(yīng)用等。此外，對于NPs，尤其是NPs 中無機材料的安全性，仍然是非常重要的問題，能否解決這些問題將為開發(fā)新的治療方法奠定基礎(chǔ)［40］。

2.3 細胞膜仿生修飾

細胞膜仿生修飾，即用細胞膜包被NPs，也稱為裹膜，是近年來新興的一種功能化NPs的方法。膜涂層保留了源細胞膜的原始生物學(xué)特性，有助于延長體循環(huán)的時間，也可靶向細菌或中和毒素［18］。自HU等［41］利用紅細胞膜包裹NPs 以來，多種細胞膜包括中性粒細胞膜［42］、巨噬細胞膜［43-44］、血小板膜［45］，細菌膜［46］、混合膜［47］等均被開發(fā)用于NPs的修飾。

中性粒細胞作為最常見的白細胞，是最早被設(shè)計用于裹膜的生物膜之一，由中性粒細胞膜包被的NPs具有精確的靶向能力。WANG 等［42］設(shè)計了一種中性粒細胞膜包被的NPs，可以將抗生素精確遞送至炎癥部位，同時外包的細胞膜使NPs 具有獨特的仿生特性，可以延長其半衰期。在藥代動力學(xué)實驗中，與對照組血藥濃度在12 h后逐漸下降相比，實驗組血藥濃在48 h時仍維持在較高水平，體內(nèi)實驗證實該材料能有效治療小鼠模型的肺部炎癥。

血小板通過促進免疫募集和信號傳遞，在血管炎癥的啟動和加速中發(fā)揮重要作用。研究證實，血小板膜涂層NPs可以通過黏附受損血管，實現(xiàn)對炎癥部位的靶向［45］。LI 等［48］將血小板膜包被在納米馬達上，制成一種具有高效運動能力和獨特生物學(xué)功能的新型仿生納米機器人。納米機器人表面的血小板膜使其不受生物環(huán)境的影響，可以在體內(nèi)高效推進，同時粘附毒素和病原體，如志賀毒素和金黃色葡萄球菌。據(jù)觀察，有血小板包被和無血小板包被的納米微粒在水中的前進速度幾乎相同，但在血漿、血清和全血中，前者的前進速度明顯更快。包被在納米馬達上的血小板膜層，使其在全血中具有生物相容性和穩(wěn)定性，且在較長時間內(nèi)無明顯的生物污染。

此外，有研究者提出將來自不同細胞的生物膜進行雜交，制成復(fù)合膜涂層的NPs，使其同時具有多種細胞的特性，為進一步增強NPs 功能提供了新的方向［47］。

除了直接從生物細胞中提取，人工合成生物膜包被NPs 也備受關(guān)注。MOLINARO 等［49］把提取自白細胞質(zhì)膜的蛋白質(zhì)合并到人工合成的脂質(zhì)體中，形成一種新型載體——白質(zhì)體。這種載體同時保留了脂質(zhì)體的特性以及白細胞膜蛋白的靶向性，為仿生NPs的開發(fā)提供了新思路。

2.4 其他策略

根據(jù)各種病原體的形狀和尺寸，可以設(shè)計出獨特的靶向 米結(jié)構(gòu)，類似于機械工程中的模具制造。BOROVICKA 等［50］將AuNPs和二氧化硅沉積在細菌表面，然后通過超聲波和漂白去除內(nèi)在的菌體，得到與細菌表面形狀相契合的二氧化硅/AgNPs 外殼，可用于靶向細菌。

除了直接靶向之外，靶向細菌所在的細胞從而間接靶向細菌，是治療細胞內(nèi)細菌感染的新思路。細胞吞噬是哺乳動物抵御外來細菌的重要機制，然而部分細菌如麻風(fēng)分枝桿菌、結(jié)核桿菌、布魯菌等可以寄生在吞噬細胞內(nèi)而逃避清除，從而導(dǎo)致機體的長期感染。對此，甘露糖功能化NPs可以特異性識別巨噬細胞表面高表達的甘露糖受體，從而實現(xiàn)對巨噬細胞的靶向［51］。PI 等［52-53］制備了2 種甘露糖修飾的納米傳遞系統(tǒng)，包括甘露糖修飾的利福平負載的氧化石墨烯和異煙肼負載的納米硒，2 種材料均有效地加強了抗生素對胞內(nèi)菌的抗菌活性。

3 結(jié)語

NPs 針對細菌進行靶向治療，除了能提高療效外，還能減少對其他系統(tǒng)或組織器官的毒性及其不良反應(yīng)。本文介紹了表面功能化、環(huán)境響應(yīng)以及細胞膜仿生修飾這3 種常見的靶向策略，每種策略各有其優(yōu)勢與劣勢（表1），尚待進一步完善。表面修飾的靶向策略，篩選具有高選擇性、高親和力的配體，優(yōu)化納米粒子的理化特性是未來的發(fā)展方向；環(huán)境響應(yīng)的策略，利用細菌周圍獨特的感染微環(huán)境，應(yīng)研究其特點從而設(shè)計靶向性更強的納米載體；細胞膜仿生修飾的NPs，可使用特殊的細胞膜或結(jié)合不同類型膜的功能進一步應(yīng)用。除此之外，NPs的全身安全性以及對機體的長期影響仍然是臨床應(yīng)用的主要障礙之一。

表1 不同靶向策略優(yōu)劣勢的比較Tab 1 Advantages and disadvantages of different targeting strategies

繼續(xù)開發(fā)新型有效的抗菌NPs需要化學(xué)家、工程師以及生物醫(yī)學(xué)研究者的共同努力。但總體而言，NPs的出現(xiàn)為耐藥細菌和生物膜的治療提供了新的方案，緩解了后抗生素時代的危機。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors'Contributions

駱智淵、石亭旺、阮澤松參與了論文的寫作和修改。陳云豐對論文的寫作與修改進行了指導(dǎo)。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The manuscript was drafted and revised by LUO Zhiyuan， SHI Tingwang and RUAN Zesong.The manuscript was drafted and revised under the guidance of CHEN Yunfeng. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.

·Received：2022-03-01

·Accepted：2022-06-02

·Published online：2022-06-28