【综述】纳米抗菌剂和递送系统在生物被膜感染中的应用

来源：X-MOL（x-mol.com）

人体细菌感染主要是由于细菌在感染人体后形成了生物被膜。生物被膜由细菌以及细菌自身分泌的胞外聚合物（EPS），包括基质多糖、DNA、骨架蛋白等组成。生物被膜为细菌生长提供了良好的环境，可以抵御宿主免疫系统的攻击和抗生素在生物被膜中的渗透。因此，生物被膜引起的感染极难治愈，通常会造成慢性感染，长期威胁人类健康。世界卫生组织曾预测，到2050年，由感染引起的死亡人数将超过由癌症引起的死亡人数。因此，基于纳米技术的抗菌剂和药物递送体系受到了人们的极大关注。近日，南开大学的史林启教授团队撰写综述，阐述了如何设计纳米抗菌剂和药物递送体系以用于对抗生物被膜引起的细菌感染。

该综述从如何设计一种稳定、高效的抗菌体系出发，探讨纳米颗粒的尺寸、表面、形状以及材质对其抗菌性能和生物相容性能的影响。首先，就尺寸而言，一般纳米颗粒的尺寸越小，其生物被膜渗透性能和抗菌性能越高。但尺寸小于5纳米或者大于5微米的颗粒容易被免疫蛋白捕获，影响颗粒在人体血液循环时的稳定性。因此，合适的抗菌纳米颗粒范围介于5纳米到500纳米。其次，纳米颗粒的表面电荷对抗菌性能有决定性影响。正电荷的纳米颗粒跟细菌有很强的静电相互作用，可以破坏细菌的细胞膜，造成细菌胞内物质外泄，从而引起细菌凋亡。由于生物被膜的基质是一些带有很强负电荷的多糖和DNA等，因此正电荷的纳米颗粒一般会有很好的生物被膜渗透和停留能力。但是正电荷的纳米颗粒与血液中的蛋白有很强的相互作用，从而影响其在体内的稳定性。因此在设计体系时，应该设计一些表面可以发生电荷转变的纳米颗粒，以兼顾纳米颗粒稳定和生物被膜的渗透、停留。再者，纳米颗粒可以有各种各样的形貌，如片状颗粒有“纳米刀”效应，可以刺透细菌细胞膜。而片状、杆状的纳米颗粒一般更容易被细胞吞噬，造成细胞毒性。

材质对于纳米抗菌剂和递送系统的影响最大。在纳米抗菌剂方面，绝大多数金属纳米颗粒可以释放出金属离子，引起细菌内部活性氧成分（ROS）的升高，造成细菌的凋亡。但是由于大部分金属纳米颗粒表面并没有稳定的化学修饰，因此在体内稳定性较差。通过表面化学改性来增加表面亲水性可以提高纳米颗粒的稳定性。此外，金纳米颗粒具有很好的光热效应，表面修饰的金纳米颗粒可以用于光热杀菌。碳纳米颗粒，包括碳量子点、纳米管、纳米片等，是一类新颖的抗菌剂，但是如何克服其对普通细胞的毒性还需要深入研究。仿生的高分子正电纳米颗粒是近年来研究的热点，可以将生物相容性和杀菌性能有机结合，在纳米递送体系方面主要包括介孔硅、聚合物胶束、囊泡和树枝状纳米颗粒。而负载的对象可以是普通的抗生素、光敏剂以及抗菌肽。这些纳米递送体系在克服生物屏障、响应性药物释放方面有很好的表现。

在综述的最后，作者对目前纳米颗粒在生物被膜感染方面应用所面临的问题，诸如动物模型建立、临床转化等进行了探讨，并提出一些可行的解决方案，相关论文近期发表在Chemical Society Reviews 上，文章的第一作者是南开大学毕业的博士刘勇。

该论文作者为：Yong Liu, Linqi Shi, Linzhu Su, Henny C. van der Mei, Paul C. Jutte, Yijin Ren and Henk J. Busscher

Nanotechnology-based antimicrobials and delivery systems for biofilm-infection control

Chem. Soc. Rev., 2019, 48, 428, DOI: 10.1039/C7CS00807D

史林启教授简介

史林启，南开大学化学院教授，国家杰出青年基金获得者；1993年在中国科学院长春应用化学研究所获博士学位，2003年11月至2004年5月分别在加拿大蒙特利尔大学和美国纽约州立大学石溪分校从事访问教授研究，1995年至今在南开大学化学院高分子化学研究所工作，2004年入选“教育部新世纪人才”，《离子交换与吸附》副主编、《高分子学报》和《化学通报》编委；作为第一作者或通讯联系人发表研究论文160余篇，包括Nature Nanotechnology、Accounts of Chemical Research、Chemical Society Reviews、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Nano Letters等，他引4000余次，出版专著3部，授权专利3项，三项成果实现产业化；承担国家自然科学基金重大研究计划、重大研究项目和“973”项目等；主要开展自组装生物活性材料、纳米高分子药物等。

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