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西工大李鵬教授/王騰蛟副教授 AFM:硒化氫氣體遞送抗菌高分子納米材料
2025-01-03  來源:高分子科技

  氣體信使分子(如NO、CO和H2S)在調節人體生理和病理過程中發揮著重要作用,尤其是在抗菌、免疫調節等方面表現出顯著效果。近年來,氫氣(H2)、二氧化硫(SO2)、硒化氫(H2Se)、甲烷(CH4)等氣體也被證實具有廣泛的生物醫學效應,引起研究者的關注。其中H2Se(包含HSe-/Se2-)是體內膳食硒的代謝中間體之一,作為潛在的氣體信使分子表現出優異的抗菌功效。然而,高濃度且非特異性的H2Se會對正常組織和細胞造成毒性,而且其高反應性導致半衰期不到幾秒鐘,這對其在感染治療中的治療應用帶來了挑戰。


圖1. H2Se-NG治療多重耐藥菌相關感染示意圖


  近期,西北工業大學李鵬/王騰蛟團隊開發了一種基于有機硒化氫供體的新型抗菌氣體療法,通過有機供體分子設計及高分子載體結構優化實現H2Se氣體按需緩釋,進而達到治療耐藥菌及其生物被膜感染目的(圖1)。在該研究中,團隊首先將硫醇(RSH)觸發H2Se釋放的硒苯甲酰胺有機小分子H2Se供體進行醛基化修飾,并通過配方優化制備了含有豐富酰肼基團的聚(乙二醇-co-丙烯酰肼)納米凝膠(PAH-NG)。隨后,在水相環境下通過pH敏感的酰腙鍵結合,成功制備了硒化氫遞送納米凝膠(H2Se-NG),從而平衡其生物相容性和抗菌性能。通過模擬生物被膜感染微環境,H2See-NG表現出級聯響應感染微環境低pH和RSH過表達的H2Se釋放行為,實現了長達72小時的持續釋放。


圖2. H2Se-NG的表征及性能。a) H2Se-NG的透射電鏡、EDS能譜以及原子力顯微鏡圖像;b) 體外H2Se釋放行為評估;c) H2Se-NG處理后的MRSA和ESBL-E.coli的菌落照片和SEM圖像;d) H2Se-NG處理后的MRSA生物膜的活死染色激光共聚焦圖像。


  本工作進一步選擇革蘭氏陽性菌耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)和革蘭氏陰性菌產超廣譜β-內酰胺酶大腸桿菌(ESBL-E. coli),研究了H2Se-NG的體外抗耐藥菌及其生物被膜性能。H2Se-NG在酸性pH下能有效殺滅99.9%以上的耐藥菌,并顯著清除MRSA生物被膜。同時,處理后的細菌細胞膜出現變形或者破裂,表明這種物理膜破壞方式可能是防止細菌耐藥性發展的有效途徑(圖2)。最后,在小鼠皮下MRSA感染膿腫模型和植入物MRSA生物膜感染模型中,生物安全濃度(150 μg/mL)的H2Se-NG能夠顯著清除MRSA及其生物被膜,并顯著降低感染后周圍組織中促炎細胞因子(如TNF-α和IL-6)水平,治療效果與臨床用藥萬古霉素相當(圖3)。該研究不僅拓展了新型抗菌氣體療法的應用潛力,并為深入了解H2Se氣體在生物體內的“量-毒-效”關系提供了研究基礎。


圖3. H2Se-NG的體內抗生物被膜性能評估。a) 小鼠皮下植入物相關MRSA生物被膜感染模型的示意;b) 植入部位隨時間變化的圖像以及第7天感染組織的相應CFU計數;c-d) 植入物和周圍組織的細菌計數;e) 植入物周圍組織學染色和免疫組化染色;f-i) 對上述因子水平進行定量統計。


  研究成果以“Dual-Cascade Responsive H2Se Delivery Nanogels Bearing Selenobenzamide as H2Se Donor for the Treatment of Multi-Drug Resistant Bacteria Infections”為題發表在Advanced Functional Materials期刊上。西北工業大學柔性電子研究院李鵬教授和王騰蛟副教授為論文的通訊作者。西北工業大學柔性電子研究院博士研究生李剛鋒為論文第一作者。該研究受到國家自然科學基金、陜西省杰出青年科學基金、陜西省重點研發計劃、重慶市自然科學基金等項目資助。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202418229

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