一文了解非抗生素抗菌！

原创高分子科学前沿高分子科学前沿

细菌感染是导致全球人类死亡的主要诱因之一。据世界卫生组织(WTO)数据显示，细菌感染是近些年来欠发达国家和地区致病致死率最高的杀手之一。国际通用的抗菌手段主要通过抗生素来抑制细菌的繁殖和生长，且能达到高效的灭菌效果。但由于抗生素的过度使用导致细菌的耐药性不断增加，从而对人类健康构成严重威胁。因此，开发出一种非抗生素类抗菌技术成为各国生物医疗领域的研究热点。基于此，越来越多的天然抗菌化合物的抗菌研究已经逐渐取代使用频繁的合成抗生素，例如，疫苗和噬菌体疗法也被用来消灭细菌。但天然化合物的抗菌活性较低，阻碍了它们在替代合成抗生素方面的实际应用。此外，疫苗和基于噬菌体的疗法通常只对特定的感染菌株起作用，成本高昂且药效有限。因此，当前的无抗生素抗菌技术应通过开发新的合成制剂来实现更好的抗菌效果。

近日，昆士兰大学余承忠教授课题组在纳米抗菌领域取得重要进展。该工作综述了纳米抗菌领域的综合性研究和多学科交叉的研究进展，总结了在不含抗生素的情况下，抗菌纳米材料的设计思路，包括具有内在或光介导抗菌作用的纳米材料，并将其用作天然抗菌化合物的传递媒介。探讨了各种抗菌机理以及结构与抗菌性能的关系，为合理设计用于无抗生素抗菌应用的新型纳米材料提供了思路。文章最后展望了纳米材料无抗生素抗菌应用的挑战和未来发展方向。该工作以标题“Antibiotic-FreeAntibacterial Strategies Enabled by Nanomaterials: Progress and Perspectives”发表于国际顶级学术期刊Advanced Materials上。昆士兰大学余承忠教授和宋浩博士为本文的共同通讯作者。

本文亮点：

1：该研究建议资助机构应鼓励学科交叉，包括对材料科学界的投入，开发由先进材料领域提供的非抗生素抗菌技术解决方案，为应对抗生素耐药性危机提供新的“武器”。

2：目前的研究主要集中在与人类相关的抗菌应用上。未来的研究可能会考虑应用到农业/水产养殖的实际需要，并开发无抗生素的抗菌纳米制剂，以从源头解决抗生素滥用所带来的问题。

3：本文还综述了这些抗菌技术的抗菌机理、结构与性能的关系以及目前抗菌技术转化为实际应用的研究进展。

图1 新型抗菌的多元化方式

1.仿生结构物理抗菌

细菌膜是许多抗菌制剂的重要靶点。传统的抗生素可以溶解细胞膜或阻止新细胞壁的形成。值得注意的是，由于纳米材料独特的物理化学特性，如表面拓扑、大小、几何形状、表面电荷等，细菌和纳米材料之间的直接接触也会破坏细菌细胞膜。其灵感来源于蝉翼和蜻蜓翅膀独特的抗菌特性，它们的表面由纳米柱阵列组成，它们能破坏细菌的细胞膜结构。基于此仿生思路，制作了具有独特纳米柱形貌的仿生黑硅，用于高效杀灭细菌。这种纳米材料的抗菌机理在于对细菌细胞膜的物理损伤，而与细菌类型无关（革兰氏阴性或革兰氏阳性）。因此，这一抗菌的纳米结构具有良好的普适性。

图2 纳米结构对细菌膜物理损伤的影响。a）鸣蝉的照片。b）鸣蝉赤翼不同微区的生理结构。c）前翅表面扫描电镜（SEM）图像（比例尺：2μm）。d）黑硅的扫描电镜图（比例尺：200纳米）。显微镜图像以53°的角度倾斜（插图）显示了纳米柱的表面图案。e）bSi的光学轮廓图。f）铜绿假单胞菌与bSi相互作用，上：扫描电镜图像，下：共焦显微镜图像（死亡细胞（红色）和活细胞（绿色）。g）用2、4和6nm的金纳米粒子处理革兰氏阴性（铜绿假单胞菌）的透射电子显微镜（TEM）图像。h）阳离子氨基改性纤维素增强了带负电荷细菌与细胞膜的相互作用。i）大肠杆菌与不同取向GO修饰的高分子膜相互作用的SEM图像。j）分子聚合物衍生物的结构和MIC与聚合物衍生物的疏水链长有关。

2.纳米材料抗菌

纳米颗粒可以通过产生杀菌成分来达到灭菌的目的，如活性氧（ROS）和活性氮（RNS），因此，可以不通过纳米材料直接接触到细胞膜而使其产生机械破裂，也能达到杀死细菌的目的。目前有一些研究已经致力于开发能产生ROS的抗菌纳米材料，包括金属氧化物纳米颗粒（例如，氧化铁、ZnO、TiO₂）、2D纳米材料（例如，石墨烯基、金属碳化物和氮化物）、金属-有机框架（MOFs），过氧化物酶衍生物，由这些纳米材料生成的ROS依赖于相应的物性参数，如结晶度、组成及其纳米结构。

图3 纳米结构对细菌化学损伤的影响。a）中空氧化铁纳米颗粒在革兰氏阳性表皮葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌中抗菌机制的示意图。b）用500μg/mL和1纳米氧化铁颗粒培养4小时后，细菌内的铁含量。c）小尺寸GO抗菌活性示意图。d）体外谷胱甘肽（GSH）的活性测定，用不同比表面的GO片处理3h。e）合成纳米材料的方案。f）时间依赖性。

图4 纳米材料抑制细菌代谢。a）PLNF介导的营养物饥饿法的灭菌示意图。b）通过PLNFs去除磷酸盐的程度图。c）银纳米材料抑制了新的DNA合成。（d）通过金纳米材料抑制氧化磷酸途径阻断ATP合成图。e）GAL与不同形状的ZnO纳米材料培养1h的相对催化活性及ZnO纳米粒子与GAL活性中心的形状依赖性几何匹配示意图。

3.光热疗法杀菌

光热疗法是近红外辐射（700-1100nm）下纳米制剂产生局部热量治疗细菌感染的一种很有前途的方法。，目前，多种纳米制剂已显示出将光转化为热的能力，包括聚合物纳米材料、碳基纳米材料、金纳米材料和金属硫化物纳米材料（例如二硫化钼（MoS2）和硫化铜（CuS））。其制剂的表面效应影响PTT介导的细菌杀灭效率。

图5 PTT用于抗菌纳米材料。a）pH响应的Au-NPs方案，在近红外辐射下形成杀菌作用的聚集体，对健康组织无损伤b）MRSA生物膜未经处理后的SEM图像，近红外（NIR）光照下带负电表面涂层的Au-NPs和近红外（NIR）光照下带两性离子表面涂层的Au-NPs。c）从亲水性到疏水性聚集体的近红外响应转移，用于高温近红外杀菌性能和低温细菌释放，用于纳米制剂的回收。d）近红外辐射前后金黄色葡萄球菌中0.1 mg/mL温度敏感纳米制剂处理细菌的透射电镜图像。e）仿生纳米共轭物的合成。f）铜绿假单胞菌纳米结合物的剂量依赖性杀菌性能。

4.抗菌光动力疗法（aPDT）

抗菌光动力疗法是一种新型非抗生素类灭菌技术。其机理是基于光敏剂（PSs）的光化学反应。在波长与PSS的吸收相匹配的光照射下，可以产生羟基自由基、超氧物或单线态氧（¹O2），对细胞膜和DNA分子造成损伤。尽管PSS对革兰氏阳性菌具有良好的抗菌活性，但由于穿透革兰氏阴性菌株外膜的能力有限，因此对革兰阴性菌的抗菌效率很低。对PSs的吸收效率有限和严重聚集是基于PS在aPDT应用中的另一个挑战，这是因为大多数PSs是疏水性的，并且水溶性差。纳米技术为上述这些问题提供了解决方案。通过各种纳米载体，如聚合物，Ag纳米材料及MOFs已被用作PSs递送载体，以提高aPDT效率。最近，以病原体为靶点的多肽和PS在聚合物胶束中进行聚合，选择性地粘附在细菌而不是哺乳动物细胞上，以增强其在辐射下消除aPDT的能力。

图6 基于aPDT的纳米抗菌材料。a）具有AIE效应的高分子纳米材料在接触细菌时表现出荧光效应。b）在波长为365nm的紫外灯下，具有AIE效应的聚合物图。c）大肠杆菌与高分子纳米材料共培养12h后的扫描电镜图像。e）不同组MRSA感染性皮肤脓肿小鼠的时间依赖性照片。f）未经处理和氮掺杂石墨烯量子点处理3h（上）和氮掺杂石墨烯量子点处理5d和氮掺杂石墨烯量子点在670nm激光照射3min（下）的裸大肠杆菌的TEM图像。

5.阳光介导的抗菌处理

阳光作为最丰富、最温和的辐射源，同样也可用于杀菌。基于太阳光引发的纳米抗菌材料，从功能来划分可分为两类：本质上产生活性氧和作为纳米酶催化活性氧的产生。在模拟日光处理下，自由电子和空穴促进了多面体二氧化钛纳米晶体产生ROS和抗菌活性，因为调节（101）至（100）晶面的比率可影响其电子-空穴空间分离。

图7 基于太阳光引发的纳米抗菌材料。（101）与（100）之比促进了电子-空穴空间分离。b）用模拟太阳光的罗丹明123荧光发射光谱评价活性氧的生成。c）NO和ROS释放纳米材料的制备图。d）在阳光照射下，在有机二氧化硅纳米材料存在下产生的活性氧。e）铜绿假单胞菌图像。空白（左）或（右）阳光照射下，用有机硅纳米材料涂层薄膜压印的琼脂板。f）可见光触发CuO纳米酶释放活性氧和杀灭细菌图。g）不同过氧化物酶底物的紫外-可见吸收光谱。

6.基于纳米材料的天然抗菌化合物递送系统

图8 基于纳米材料的天然小分子给药系统。a）具有抗菌活性的EGCG淀粉纤维复合水凝胶示意图。b）用共焦显微镜观察空白、EGCG、溶菌酶原纤维和混合水凝胶培养大肠杆菌的细菌活力（活菌：绿色，死菌：红色或橙色）。c）TA交联水凝胶能在低pH下释放TA以杀灭细菌，并在纤维细胞保持良好的生物相容性。d）Ag@TP纳米结构自组装图。

四、研究小结

纳米抗菌材料为减缓抗生素的使用提供了有效的解决方案。本文综述预计，随着新型纳米抗菌材料的发展，在未来纳米抗菌材料终将可完全取代抗生素，并达到抗病菌的目的。