细菌生物被膜感染是植入物失败的主要原因。生物被膜不仅保护细菌免受免疫系统的清除，限制抗生素的渗透，还降低了细菌的代谢活性，导致抗生素的效力降低。因此，即使没有抗生素耐药性基因，生物被膜中的细菌也被认为具有高度的抗生素耐受性。
为此，北京化工大学王兴教授课题组基于前期对聚氨基酸递送系统的研发（Polym. Chem. 2018, 9, 2733；Biomacromolecules, 2021, 22, 4871; Colloid. Surface. B 2021, 202, 111687），以及其在清除胞内菌的研究基础（Adv. Mater. 2022, 34, 2109789；J. Mater. Chem. B 2023, 11, 2958; Macromol. Biosci. 2023, 23, 2200311），提出采用聚（D-氨基酸）纳米粒子替代小分子氨基酸，限制氨基酸在代谢过程中的消耗，提高其对生物被膜的清除效果。研究工作设计合成了一种基于D-氨基丙氨酸的嵌段共聚物，并进一步组装成纳米粒子FA NPs（图1）。研究发现，FA NPs通过肽聚糖结合蛋白4（PBP4）介导特异性插入葡萄球菌肽聚糖中，并进一步触发与肽聚糖连接的淀粉样纤维分离，同时减少EPS的多糖和蛋白质含量，破坏EPS的结构稳定性，最终导致生物被膜瓦解。此外，FA NPs显著增强了抗生素清除生物被膜的效果，实现了小鼠植入物生物被膜的完全消除，在治疗细菌生物被膜感染方面具有应用潜力。图1. FA NPs通过干扰葡萄球菌肽聚糖合成介导生物被膜瓦解的功能机制示意图。（1）FA NPs清除生物被膜的效果研究：研究发现，经FA NPs处理后，葡萄球菌生物被膜形成粗糙、不规则表面，生物被膜中多糖和蛋白质含量显著减少，且结构稳定性降低，表明FA NPs能够有效破坏葡萄球菌生物被膜。对生物被膜中淀粉样纤维的影响研究（图2）表明，FA NPs能够降低生物被膜内细菌间的淀粉样纤维含量，进而破坏了生物被膜的结构完整性和稳定性，最终导致生物被膜瓦解。图2. FA NPs处理对葡萄球菌生物被膜淀粉样纤维成分的影响。（2）FA NPs清除生物被膜的机制研究（图3）：淀粉样纤维与葡萄球菌细胞壁肽聚糖紧密相连。FA NPs和突变型金黄色葡萄球菌USA300的相互作用研究（图3）发现，当USA300菌株的pbp4基因被敲除时（∆pbp4），FA NPs丧失了对细菌肽聚糖的结合能力。而当USA300菌株的PBP4功能被恢复时（∆pbp4+complement），FA NPs的肽聚糖结合作用也被恢复，结合效果与野生型（WT）和pbp3基因缺陷型（∆pbp3）USA300菌株相当，证明了FA NPs能够通过PBP4蛋白介导特异性插入葡萄球菌的肽聚糖中。实验研究进一步发现，FA NPs能够有效破坏野生型（WT）USA300菌株的生物被膜，而对∆pbp4菌株生物被膜无效。有趣的是，当菌株PBP4蛋白功能被恢复时，FA NPs对其生物被膜的破坏能力被恢复，证实了PBP4在介导外源性FA NPs插入葡萄球菌的肽聚糖中起着关键作用，从而破坏了EPS的结构完整性，最终导致生物被膜的分解。图3. PBP4蛋白介导FA NPs插入葡萄球菌肽聚糖，触发生物被膜瓦解机制研究。（3）体内细菌生物被膜的清除能力（图4）：小鼠体内导管生物被膜感染治疗研究发现，FA NPs能够有效增强抗生素对生物被膜的清除能力。游离抗生素Sita对生物被膜清除作用非常有限（< 103 CFU），而通过FA NPs负载递送后，在同等剂量下，其能够完全清除生物被膜，且未检出细菌残留（从对照的>107 CFU下降至0）。研究结果表明，FA NPs的生物被膜瓦解功能能够显著提高抗生素的治疗效率。图4. FA NPs对小鼠皮下植入物生物被膜感染的治疗效果评价。综上所述，该研究报道了一种用于高效瓦解生物被膜的聚氨基酸纳米粒子FA NPs。FA NPs首先由PBP4蛋白的转肽作用插入葡萄球菌肽聚糖，干扰肽聚糖合成，并进一步触发与肽聚糖连接的淀粉样纤维脱离，减少EPS中多糖和蛋白质含量，破坏EPS结构稳定性，最终导致生物被膜瓦解。本研究为解决葡萄球菌生物被膜感染提供了一类具有潜力的聚氨基酸纳米粒子新技术。相关研究成果近期以“Poly(D-amino acid) Nanoparticles Target Staphylococcal Growth and Biofilm Disassembly by Interfering with Peptidoglycan Synthesis”为标题发表在学术期刊ACS Nano上。本论文第一作者为北京化工大学生命科学与技术学院博士毕业生冯文丽，谢文升副教授和瑞士AO研究所Marco Chittò博士。北京化工大学王兴教授、李国锋副教授和AO研究所T. Fintan Moriarty研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、北京化工大学-中日友好医院生物医学转化工程研究中心、AO Trauma和中国留学基金的资助与支持。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c10983
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