細菌生物被膜感染是植入物失敗的主要原因。生物被膜不僅保護細菌免受免疫系統(tǒng)的清除，限制抗生素的滲透，還降低了細菌的代謝活性，導(dǎo)致抗生素的效力降低。因此，即使沒有抗生素耐藥性基因，生物被膜中的細菌也被認為具有高度的抗生素耐受性。
為此，北京化工大學(xué)王興教授課題組基于前期對聚氨基酸遞送系統(tǒng)的研發(fā)（Polym. Chem. 2018, 9, 2733；Biomacromolecules, 2021, 22, 4871; Colloid. Surface. B 2021, 202, 111687），以及其在清除胞內(nèi)菌的研究基礎(chǔ)（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）納米粒子替代小分子氨基酸，限制氨基酸在代謝過程中的消耗，提高其對生物被膜的清除效果。研究工作設(shè)計合成了一種基于D-氨基丙氨酸的嵌段共聚物，并進一步組裝成納米粒子FA NPs（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，FA NPs通過肽聚糖結(jié)合蛋白4（PBP4）介導(dǎo)特異性插入葡萄球菌肽聚糖中，并進一步觸發(fā)與肽聚糖連接的淀粉樣纖維分離，同時減少EPS的多糖和蛋白質(zhì)含量，破壞EPS的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致生物被膜瓦解。此外，F(xiàn)A NPs顯著增強了抗生素清除生物被膜的效果，實現(xiàn)了小鼠植入物生物被膜的完全消除，在治療細菌生物被膜感染方面具有應(yīng)用潛力。
圖1.FA NPs通過干擾葡萄球菌肽聚糖合成介導(dǎo)生物被膜瓦解的功能機制示意圖。
文章要點：
（1）FA NPs清除生物被膜的效果研究：研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)FA NPs處理后，葡萄球菌生物被膜形成粗糙、不規(guī)則表面，生物被膜中多糖和蛋白質(zhì)含量顯著減少，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，表明FA NPs能夠有效破壞葡萄球菌生物被膜。對生物被膜中淀粉樣纖維的影響研究（圖2）表明，F(xiàn)A NPs能夠降低生物被膜內(nèi)細菌間的淀粉樣纖維含量，進而破壞了生物被膜的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致生物被膜瓦解。
圖2. FA NPs處理對葡萄球菌生物被膜淀粉樣纖維成分的影響。
（2）FA NPs清除生物被膜的機制研究（圖3）：淀粉樣纖維與葡萄球菌細胞壁肽聚糖緊密相連。FA NPs和突變型金黃色葡萄球菌USA300的相互作用研究（圖3）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)USA300菌株的pbp4基因被敲除時（?pbp4），F(xiàn)A NPs喪失了對細菌肽聚糖的結(jié)合能力。而當(dāng)USA300菌株的PBP4功能被恢復(fù)時（?pbp4+complement），F(xiàn)A NPs的肽聚糖結(jié)合作用也被恢復(fù)，結(jié)合效果與野生型（WT）和pbp3基因缺陷型（?pbp3）USA300菌株相當(dāng)，證明了FA NPs能夠通過PBP4蛋白介導(dǎo)特異性插入葡萄球菌的肽聚糖中。
實驗研究進一步發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A NPs能夠有效破壞野生型（WT）USA300菌株的生物被膜，而對?pbp4菌株生物被膜無效。有趣的是，當(dāng)菌株P(guān)BP4蛋白功能被恢復(fù)時，F(xiàn)A NPs對其生物被膜的破壞能力被恢復(fù)，證實了PBP4在介導(dǎo)外源性FA NPs插入葡萄球菌的肽聚糖中起著關(guān)鍵作用，從而破壞了EPS的結(jié)構(gòu)完整性，最終導(dǎo)致生物被膜的分解。
圖3.PBP4蛋白介導(dǎo)FA NPs插入葡萄球菌肽聚糖，觸發(fā)生物被膜瓦解機制研究。
（3）體內(nèi)細菌生物被膜的清除能力（圖4）：小鼠體內(nèi)導(dǎo)管生物被膜感染治療研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A NPs能夠有效增強抗生素對生物被膜的清除能力。游離抗生素Sita對生物被膜清除作用非常有限（< 103 CFU），而通過FA NPs負載遞送后，在同等劑量下，其能夠完全清除生物被膜，且未檢出細菌殘留（從對照的>107 CFU下降至0）。研究結(jié)果表明，F(xiàn)A NPs的生物被膜瓦解功能能夠顯著提高抗生素的治療效率。
圖4.FA NPs對小鼠皮下植入物生物被膜感染的治療效果評價。
綜上所述，該研究報道了一種用于高效瓦解生物被膜的聚氨基酸納米粒子FA NPs。FA NPs首先由PBP4蛋白的轉(zhuǎn)肽作用插入葡萄球菌肽聚糖，干擾肽聚糖合成，并進一步觸發(fā)與肽聚糖連接的淀粉樣纖維脫離，減少EPS中多糖和蛋白質(zhì)含量，破壞EPS結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致生物被膜瓦解。本研究為解決葡萄球菌生物被膜感染提供了一類具有潛力的聚氨基酸納米粒子新技術(shù)。
相關(guān)研究成果近期以“Poly(D-amino acid) Nanoparticles Target Staphylococcal Growth and Biofilm Disassembly by Interfering with Peptidoglycan Synthesis”為標題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊ACS Nano上。本論文第一作者為北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士畢業(yè)生馮文麗，謝文升副教授和瑞士AO研究所Marco Chittò博士。北京化工大學(xué)王興教授、李國鋒副教授和AO研究所T. Fintan Moriarty研究員為論文的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、北京化工大學(xué)-中日友好醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化工程研究中心、AO Trauma和中國留學(xué)基金的資助與支持。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c10983
