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中山大學岳軍課題組《Chem. Mater.》：工程化陽離子超支化聚脲抗細菌生物膜研究

2023-06-14 來源：高分子科技

由細菌生物膜引起的感染性疾病給人類健康帶來了重大危害。生物膜的胞外聚合物基質阻礙傳統抗菌劑滲透至生物被膜內部，極大地增加了生物膜的清除難度。此外，常規用量的抗生素對由生物膜引起的感染收效甚微，加大抗生素的劑量不僅給機體帶來更強的毒副作用，而且加劇誘導細菌耐藥性的發展。陽離子抗菌聚合物作為一種新型的抗菌材料，具有廣譜的殺菌活性，且不會引發細菌的耐藥性。前期基于浮游菌篩查的相關研究表明，陽離子聚合物鏈的拓撲結構會顯著影響其殺菌活性，例如，具有緊湊結構的樹狀高分子或超支化聚合物，往往具有較高的抗菌活性。然而，已有的基于浮游菌篩查的研究結果并不適用于生物膜體系，這是因為生物膜中的細菌無論是基因表達，還是代謝活性，都與浮游態下的細菌有較大的差異。因此，陽離子聚合物鏈的拓撲結構如何影響其對抗細菌生物膜的作用效果仍有待深入研究。

近日，中山大學岳軍課題組報道了一種兩親性超支化聚脲材料，其支化末端修飾了具有廣譜抗菌作用的季銨鹽基團（aBPUs@QA），分子內基于脲基的氫鍵相互作用使得aBPUs@QA的結構極為緊湊，大大提高了材料表面季銨鹽的相對密度。為了驗證這種超支化拓撲結構對聚合物材料抑制和清除生物膜能力的重要性，作者同時合成了另外兩種聚合物作為對照：一種是含有相同數量季銨鹽基團的線性聚合物（L-pQA）；另一種是支化末端接枝聚乙二醇的超支化聚合物（aBPUs@PEG）。系統研究了三種聚合物對生物膜形成過程中典型的三個階段的影響，包括細菌在固體表面的粘附、群落形成相關的細菌模式運動、以及成熟的生物膜。最后對比分析了它們在治療慢性傷口感染中的作用效果（圖1）。

圖1. 季銨化超支化聚脲（aBPUs@QA）的抗生物膜策略。

細菌附著在固體表面是形成生物膜的第一步。為了研究aBPUs@QA是否能夠影響細菌附著和隨后的生物膜形成，使用亞抑制濃度的聚合物處理細菌后，將預處理后仍然存活的相同數量的細菌轉移到共聚焦培養皿或培養板中，利用CLSM觀察細菌生物膜，并使用結晶紫測定生物量。結果顯示（圖2），與aBPUs@PEG或L-pQA處理相比，經aBPUs@QA處理后，細菌在固體表面形成的生物膜量明顯減少，這與改變的細胞膜電位變化有關。

圖2. aBPUs@QA能夠有效減少細菌在固體表面的附著。

此外，細菌生物膜的形成還與細菌在基材表面的運動行為有關。細菌可以通過群集或蹭動等運動行為來獲取更好的養分。群集行為和蹭動行為在生物膜形成或成熟生物膜分散的早期階段起作用。如圖3所示，在群集行為中，aBPUs@QA通過抑制大腸桿菌群落在固體表面向外擴散運動益阻止細菌群落的擴張，抑制生物膜的形成。而在蹭動行為中，aBPUs@QA通過促進大腸桿菌由鞭毛驅動的相關運動行為，促進單個細菌的快速移動，從而抑制生物膜的形成。而金黃色葡萄球菌可能由于缺乏菌毛和鞭毛，因此對聚合物的處理不敏感。

圖3. aBPUs@QA干擾細菌在固體表面的相關運動行為。

對于成熟生物膜，抗菌材料在其中的滲透能力直接關系到抗菌材料對生物膜內部細菌的殺傷能力。為此，作者利用含雜原子材料自身固有的熒光發射特性，研究了三種聚合物在成熟生物膜中的滲透性，并評估了各自的生物膜清除能力。與L-pQA和aBPUs@PEG相比，aBPUs@QA在成熟生物膜中展現出最強的縱向熒光分布，表明其較強的滲透能力（圖4）。此外，隨著聚合物濃度的提高，aBPUs@QA在革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、以及耐藥菌株的生物膜中均展現出更加優異的生物膜清除能力。

圖4. aBPUs@QA具有較強的生物膜滲透能力和較高的生物膜清除能力。

最后，以金黃色葡萄球菌感染的糖尿病傷口為模型，對比考察了aBPUs@QA在治療生物膜感染性疾病中的作用效果。如圖5所示，與生理鹽水組對比，L-pQA和aBPUs@PEG對于感染傷口幾乎沒有治療效果，而aBPUs@QA則能有效控制傷口處生物膜引起的感染，并加速糖尿病感染傷口的愈合。

圖5. aBPUs@QA有效促進金黃色葡萄球菌感染的糖尿病傷口愈合。

以上研究成果以“Engineering cationic hyperbranched polyureas for combating bacterial biofilms”為題，發表于Chemistry of Materials, 2023, doi: 10.1021/acs.chemmater.3c00242）。中山大學生物醫學工程學院岳軍副教授為通訊作者，碩士研究生羅堯和余國益為共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金委員會和深圳市科技創新委員會的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.3c00242

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（責任編輯：xu）

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