纳米滑片芯片技术：开启天然产物抗菌分子快速发现之旅

在抗生素耐药性问题日益严峻的今天，寻找新型抗菌药物已成为全球科研领域的紧迫任务。传统抗生素的过度使用导致了 “超级细菌” 的出现，使得抗菌药物的发现速度远远落后于耐药菌的产生速度。据预测，到 2050 年，抗生素耐药性可能导致每年 1000 万人死亡。在此背景下，一种名为纳米滑片芯片（nm-SlipChip）的新型高通量筛选技术应运而生，为从天然产物中快速发现具有抗菌活性的分子提供了有力工具。

一、引言：抗生素耐药性与新药发现的挑战

抗生素耐药性（AMR）是全球公共卫生面临的重大威胁之一。由于抗生素的不当使用，细菌逐渐进化出对抗生素的耐药性，使得许多常见感染变得难以治疗。传统抗生素研发方法耗时长、成本高，且难以从有限的天然产物提取物中发现新的抗生素。这主要是因为传统筛选方法需要大量的样品，且操作复杂、检测时间长。因此，开发一种快速、高通量的筛选方法对于新抗生素的发现至关重要。

二、纳米滑片芯片（nm-SlipChip）技术概述

nm-SlipChip 技术是一种基于微流控平台的高通量筛选方法，能够创建包含 100 种药物候选物 - 细菌组合的筛选矩阵。该芯片通过简单的滑动操作，生成纳升级别的液滴，每个液滴包含不同的抗菌候选物和细菌组合，从而实现对大量样品的快速筛选。与传统方法相比，nm-SlipChip 将样品消耗降低了 5000 倍以上，并将检测时间缩短至 3 小时。

三、nm-SlipChip 的设计与操作原理

nm-SlipChip由两个微流控板组成，分别是顶板和底板。这两个板上都有部分微流控结构，当它们部分重叠时，可以形成完整的流体通道。通过调整板的位置，可以实现不同样品的加载和混合。具体操作过程如下：

首次样品加载：将10种抗菌候选物（浓度是最终浓度的两倍）引入 nm-SlipChip的X轴通道中，通过正压将样品引入。

滑动过程：通过滑动操作，使顶板和底板上的微流控结构部分重叠，形成液滴阵列，将不同的抗菌候选物封装在液滴中。

第二次样品加载：将10种细菌样品引入nm-SlipChip的Y轴通道中，再次通过滑动操作，使细菌样品与抗菌候选物液滴合并，形成100种不同的细菌-抗菌候选物组合。

检测与分析：将芯片在37°C下孵育3小时，通过明场成像技术观察细菌的生长情况，分析抗菌候选物的抑制效果。

四、nm-SlipChip 在天然产物抗菌活性筛选中的应用

研究团队利用nm-SlipChip技术对从Callicarpa integerrima中提取的20种化合物进行了抗菌活性筛选。这些化合物被测试了对10种致病细菌的抑制活性，包括金黄色葡萄球菌（S. aureus）、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、耐甲氧西林表皮葡萄球菌（MRSE）等。筛选结果发现，两种化合物（化合物 1 和化合物 2）对 S. aureus、MRSA 和 MRSE 具有显著的抑制活性。

五、化合物1和2的结构鉴定

通过核磁共振（NMR）、高分辨率电喷雾离子化质谱（HR-ESI-MS）、红外光谱（IR）、电子圆二色谱（ECD和DP4+分析等方法，确定了化合物1和化合物2的结构。化合物1和化合物2均为ent-clerodane二萜类化合物，具有 α,β -不饱和- γ -羟基丁内酯基团。化合物1的主要特征是在C-16位置有一个羟基，而化合物2在C-2位置有一个甲酯基。

六、化合物2的抗菌机制研究

通过分子对接实验，研究了化合物2与金黄色葡萄球菌的生物膜形成相关蛋白SarA和CrtM的结合模式。结果表明，化合物2与SarA和CrtM均有较强的结合能力，可能通过抑制生物膜形成和破坏细胞膜完整性来发挥抗菌作用。进一步的实验验证了化合物2的抗菌机制，包括细胞膜通透性实验和生物膜破坏实验。实验结果显示，化合物2能显著增加 MRSA 细胞膜的通透性，并破坏生物膜的结构。

七、结论与展望

nm-SlipChip 技术为从天然产物中快速发现具有抗菌活性的分子提供了一种高效、高通量的筛选方法。该技术不仅能够显著降低样品消耗和检测时间，还具有良好的稳定性和可重复性。在本研究中，成功发现了两种具有抗菌活性的天然产物化合物，为解决抗生素耐药性问题提供了新的思路和潜在的药物候选物。未来，nm-SlipChip 技术有望在更广泛的抗菌药物发现和生物化学筛选领域发挥重要作用，为全球公共卫生事业做出贡献。

参考文献：https://doi.org/10.1002/smtd.202402045

图 1. 使用 nm-SlipChip 进行抗菌活性引导的天然植物产品分离和研究的工作流程

图 2. 用于筛选天然产物抗菌活性的nm-SlipChip的设计和操作

图3. 化合物2的抗菌活性表征