Biomacromolecules|一氧化氮与甲醛共递送的抗菌光响应胶束

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今天给大家分享一篇最近发表在Biomacromolecules上的文章,题为:Photoresponsive Micelles Enabling Codelivery of Nitric Oxide and Formaldehyde for Combinatorial Antibacterial Applications。本文的通讯作者是来自中国科学技术大学的胡进明教授。

随着抗生素的广泛使用,微生物产生抗生素耐药性的速度比发现新抗生素的速度快得多。为了克服这一困境,人们更专注于开发耐药倾向低的抗菌素。例如阳离子聚合物和抗菌肽等不易产生耐药性,然而,带正电的聚合物的阳离子通常具有高细胞毒性(如溶血),抗菌肽也因稳定性不足和成本高昂等问题大大受限。因此,急需开发出能够不影响细胞正常生理功能的新型抗菌剂。

一氧化氮(NO)是由l -精氨酸转化为l -瓜氨酸时内源性产生的物质,具有扩张血管、愈合伤口、抵抗感染和调节免疫等多种生理作用。其独特的生物膜扩散能力和细菌杀灭能力使NO成为一种很有前途的新型抗生素。同时,甲醛(FA) 作为一种内源性活性羰基物质(RCS),其溶液的抗菌能力早在多年前就已为人所知,也由此被广泛用作化妆品和药用面霜的防腐剂。然而,虽然NOFA都是内源性产生并具有抗菌性能,但同时释放NOFA的抗菌剂尚未开发出来。

本文通过原子转移自由基聚合(ATRP),成功合成了具有光响应性的二嵌段共聚物(PNOFA),在水溶液中自组装成胶束纳米颗粒。在可见光照射下,胶束纳米粒子进行光解反应,释放出NOFA,可以杀死革兰氏阴性菌(如大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(如金黄色酿脓葡萄球菌)的同时不伤害正常的哺乳动物细胞。该工作将内源性气体信号分子设计为广谱抗生素,为开发新的抗菌剂开辟了道路。

1. PEO-b-PNNBM (PNOFA)转化为PEO-b-PMAA二嵌段共聚物并释放NOFA的示意图


作者与之前工作中合成的共聚物PNO(2)行了细菌生存力测定的对比,发现未经光照时,PNOFAPNO均未显示任何细菌杀灭能力。然而在照射10分钟(410 nm28 mW / cm2)后,却都表现出浓度依赖的抗菌性能。此外,在相同浓度下(0.128 mg/ mL)PNOFA胶束几乎杀死了所有细菌(> 99.99),而PNO纳米粒子对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀伤率分别为66.1489.98%。由此可见,PNOFA胶束显示出比PNO纳米颗粒显示出更好的细菌杀灭性能。 

2. PNOPNOFA结构式,(ab)大肠杆菌和(cd)金黄色葡萄球菌经(ac)PNO(bd)PNOFA胶束处理后的细菌生存力。

3. (a) L929细胞对PNOFA胶束的细胞毒性测定。(b)&(c)绵羊血红细胞溶血测试的宏观图像与定量分析。


除此以外,与传统抗菌材料形成鲜明对比的是,PNOFA胶束不具有阳离子成分,并且在水溶液中带负电(ζ电位为−13 mV),因此对哺乳动物细胞(例如L929)的毒性可忽略不计。如图3a所示,即使在光照条件下,各浓度直至孵育24小时。在高达0.128 mg/ mL的胶束浓度下,PNOFA胶束也并未体现出明显的溶血作用(3bc)。因此,该释放NOFA的胶束纳米颗粒可用于对正常细胞具有低毒性的实际抗菌应用中。

综上所述,作者成功开发了基于胶束的纳米颗粒,用于同时释放NOFA信号分子。这种胶束纳米颗粒在水溶液中相对稳定,在可见光照射下可以释放NOFA,表现出针对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌病原体的组合抗菌性能,具有较低的细胞毒性且不会引起明显的溶血作用,为基于气态信号分子的抗菌材料提供了新的可能性。


作者:HYH    审校: ZZC

DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00251

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c00251


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