基于可控释放AuNC的智能微胶囊，攻克耐药细菌感染难题

1、引言

细菌引起的感染性疾病和伤口一直是严重威胁人类健康的问题。对于严重的感染性伤口,还可能导致败血症甚至截肢。长期以来,抗生素是主要的临床治疗手段,但滥用抗生素导致了耐药性细菌的出现,成为亟待解决的紧迫问题。近年来,各类抗菌纳米材料被研发作为新一代抗菌剂,特别是带正电荷的纳米材料表现出优异的杀菌能力。这是因为它们能通过强的静电相互作用破坏细菌细胞膜,从而产生多重杀菌途径,不易引起细菌耐药。然而,这些阳离子纳米材料在复杂的生物环境中容易聚集,活性下降,且无法精确控制其释放,限制了其实际应用。因此,急需开发新策略,不仅能提高这些阳离子纳米材料的生物环境稳定性,还能实现其可控释放,以促进这类抗菌纳米材料在先进医疗保健应用中的进一步发展。

微胶囊作为一种有效的生物活性分子递送载体,其结构可根据应用需求进行定制设计,并能在特定刺激下降解释放载载载。已有研究表明,微胶囊可用作抗氧化剂或抗肿瘤药物的递送载体。因此,我们设想利用微胶囊作为阳离子纳米材料的智能载体,可能为增强其抗菌性能提供创新解决方案。然而,这种基于微胶囊的阳离子纳米材料智能治疗平台的研究还未见报道。

金纳米簇(AuNC)是一类由少量金原子构成的超小尺度纳米材料,具有独特的荧光性能和固有的抗菌活性。近期研究发现,经过表面改性制备的带正电荷AuNC不仅拥有广谱高效的杀菌能力,而且不易引起细菌耐药。因此,将这类AuNC载入可降解微胶囊,设计出智能型抗菌微胶囊系统,有望实现对耐药性细菌感染的可控治疗。

本文报道了一种基于层层自组装的生物降解AuNC微胶囊,并系统评估了其抗菌性能及作用机理。所制备的AuNC微胶囊具有良好的生物相容性和稳定性,可特异性杀灭金葡萄球菌及耐甲氧西林金葡萄球菌(MRSA)等耐药细菌,而对大肠杆菌无明显杀菌作用。进一步的机理研究发现,AuNC微胶囊能被金葡萄球菌和MRSA所特异性降解,从而控制性释放抗菌的AuNC,而在大肠杆菌环境下则保持稳定。最后,体内实验证明了AuNC微胶囊在治疗MRSA感染伤口方面的显著疗效,并利用AuNC的荧光特性实现了伤口敷料的原位可视化。这些结果表明,基于微胶囊的阳离子纳米材料智能载体平台在抗菌治疗等领域具有广阔的应用前景。

2、结果与讨论

2.1 AuNC微胶囊的制备与表征

AuNC微胶囊的制备采用层层自组装策略。首先,将负电荷的玻璃酸(HA)和带正电荷的牛血清白蛋白修饰AuNC (cBSA-AuNC)交替吸附于CaCO₃模板表面,再引入牛血清白蛋白(BSA)和单宁酸(TA)作为外层,提供微胶囊的结构支撑。最后,通过EDTA溶解CaCO₃模板,获得空心的AuNC微胶囊。

通过Zeta电位测试、电镜表征、光谱分析等手段对AuNC微胶囊的组成、结构和性质进行了全面表征。结果显示,所制备的AuNC微胶囊具有良好的分散性和稳定性,AuNC均匀分布于微胶囊内部,并保留了AuNC自身的近红外荧光特性。此外,AuNC微胶囊表现出优异的生物相容性,包括很低的溶血率和细胞毒性。

2.2 AuNC微胶囊的抗菌性能及作用机理

为评估AuNC微胶囊的抗菌活性,选择大肠杆菌(Gram阴性)、金葡萄球菌(Gram阳性)和MRSA(耐药金葡萄球菌)作为模式细菌。结果表明,AuNC微胶囊对金葡萄球菌和MRSA表现出显著的杀菌效果,而对大肠杆菌无明显影响。

进一步通过活/死细菌染色和扫描电镜观察发现,AuNC微胶囊能特异性破坏金葡萄球菌和MRSA的细胞膜完整性,从而导致细菌死亡,而对大肠杆菌无此影响。为探究其作用机理,我们通过共聚焦荧光显微镜观察了AuNC在不同细菌环境下的释放情况。结果发现,在大肠杆菌存在时,AuNC微胶囊保持稳定,无AuNC释放;而在金葡萄球菌或MRSA存在时,AuNC微胶囊能被特异性降解,从而控制性释放抗菌的AuNC。这种细菌特异性降解行为,为AuNC微胶囊对耐药细菌的选择性杀灭提供了潜在机制解释。

2.3 AuNC微胶囊在耐药菌感染伤口治疗中的应用

最后,作者进一步评估了AuNC微胶囊在MRSA感染小鼠伤口模型中的治疗效果。结果表明,AuNC微胶囊能有效抑制MRSA感染伤口的感染,促进伤口愈合。同时,AuNC本身的荧光特性使得AuNC微胶囊可用于伤口敷料的原位可视化跟踪。这为AuNC微胶囊在感染性伤口治疗等应用中的潜力提供了实验证据。

3、总结与展望

本研究报道了一种基于层层自组装的生物降解AuNC微胶囊,具有良好的生物相容性和稳定性。这种AuNC微胶囊能特异性杀灭金葡萄球菌及MRSA,而对大肠杆菌无明显影响。机理研究发现,AuNC微胶囊能被金葡萄球菌和MRSA特异性降解,从而控制性释放抗菌的AuNC。进一步的体内实验证明,AuNC微胶囊在治疗MRSA感染伤口方面表现出显著疗效,并具有原位可视化跟踪的功能。

该研究为基于微胶囊的阳离子纳米材料智能载体平台在抗菌治疗等领域的应用提供了新思路。未来,我们可进一步探索AuNC微胶囊结构的优化,以提高其抗菌效果和靶向性。同时也可尝试将其他类型的抗菌纳米材料或生物活性分子载入微胶囊,扩展其应用范围。总之,这种基于微胶囊的智能载体平台为先进医疗保健应用提供了广阔前景。

参考文献

Y. Li, T. Wang, J. Zhang, G. B. Sukhorukov, L. Zhang, Y. Xue, L. Shang, Smart Bactericidal Capsules Based on Cationic Luminescent Nanoclusters for Controllable Treatment of Drug-Resistant Bacterial Infection. Adv. Healthcare Mater. 2024, 13, 2303686. https://doi.org/10.1002/adhm.202303686