细菌生物被膜导致的临床问题无处不在。据估计，细菌生物被膜是造成人类80%以上慢性和复发性细菌感染的主要原因，每年导致数百万人死亡和发病。生长在生物被膜内的细菌比浮游细菌对传统药物小分子的抵抗力高10-1000倍。传统药物治疗方法非常难以根治细菌生物被膜感染，因此，开发新的策略来抑制生物被膜形成以及根除成熟生物被膜迫在眉睫。由两种或多种具有不同作用机制的药效基团组成的药物组合对于克服细菌耐药性和生物被膜具有重要意义。然而，当前大多数的杂化药物是通过共价键（如酯或酰胺）结合的，它们不仅有取代掉作用基团而失效的风险，且对病灶区微环境（如低pH值或高活性氧水平）没有响应性。而动态共价键的可逆性以及环境敏感性为克服上述问题提供一种有趣的可能性。
最近国科温州研究院刘勇研究员团队开发了一种通过动态共价键结合，具有两亲性的抗菌药物小分子——aHA。aHA是通过亚氨基和硼酸酯将DETA NONOate（一氧化氮供体）、3 4-二羟基苯甲醛和苯硼酸修饰的环丙沙星（Cip）进行结合，因为其两亲性的特点，aHA能够在水溶液中自组装，形成球形纳米粒子，具有超小临界聚集浓度为3.80×10-5 mM，载药量高达73.8%。亚氨基和硼酸酯对酸性以及氧化性生物被膜微环境敏感而断裂，使aHA在病灶区释放出NO和环丙沙星，从而两者可协同根除细菌生物被膜。这一有趣的发现使得aHA可有效治疗由葡萄球菌引起的小鼠腹膜和皮下感染并改善炎症，而对正常组织没有明显的副作用。总的来说，aHA组装体可以为当前开发的抗生物被膜疗法提供一种简便有效的替代方案。相关工作以”Antimicrobial Hybrid Amphiphile via Dynamic Covalent Bonds Enables Bacterial Biofilm Dispersal and Bacteria Eradication”为题发表在Advanced Functional Materials杂志上。国科温州研究院詹益周副研究员，胡潇文博士后以及温州医科大学附属第一医院联合医学转化中心李圆凤博士为论文的共同第一作者，刘勇研究员，李华平研究员，温州医科大学附属第一医院妇科胡晓丽，中国医学科学院-北京协和医学院放射医学研究所黄帆为论文共同通讯作者。该工作得到国科温州研究院启动专项（WIUCASQD2021022，WIUCASQD2021019），国家自然科学基金（52003184, 22103088, 82204940, 52203184, 22275043），中国医学科学院中央研究院公益性基金(2022-JKCS-28)和浙江省临床检验诊断与转化研究重点实验室开放基金（2022E10022）的支持。该研究选择环丙沙星为喹诺酮类药物的代表，通过简单的化学反应使环丙沙星上接上一个苯硼酸苄体，然后利用硼酸键与邻二酚羟基以及氨基与醛基的缩合反应，使DETA NONOate，3 4-二羟基苯甲醛和苯硼酸修饰的环丙沙星有效结合成一种新型的两亲性抗菌药物小分子。通过核磁共振氢谱以及硼谱进行检验结合前后的化学结构变化，如图1所示，3 4-二羟基苯甲醛中两个酚羟基信号的消失，醛基信号的减弱，DETA NONOate中氨基信号的消失，以及aHA中新出现的亚氨基的信号峰，在硼谱中硼酸键和硼酸酯键的位移都说明了相应反应的发生。因为载有NO端具有亲水性，而环丙沙星端为疏水性，因此aHA药物小分子具有很好的两亲性，将其缓慢滴入中性的水溶液体系中，其两亲性会使aHA进行自组装。作者通过扫描电镜对aHA在水中的自组装体进行了形貌，大小以及元素分析，发现其为粒径为70 nm左右的球形纳米粒子且各个元素均匀分布在材料上。作者还通过全原子模型对aHA的自组装过程进行了模拟，发现本来分散的药物小分子会因为亲疏水性迅速聚拢，先形成小的聚集体，这些小的聚集体相遇后会形成一个更大的，拉伸且椭圆的聚集体，随后内部进行自主得重新排列，最后形成一个稳定的球体，整个过程在1000 ns之内完成（图2）。为了验证aHA的组装体能够对于酸性以及高活性氧水平微环境有响应作用以及顺利释放NO和Cip，作者在体外利用磷酸缓冲溶液和H2O2模拟了病灶区微环境，并用透析法结合NO检测试剂盒以及高效液相色谱仪检测释放的物质以及释放效率。如图3所示，aHA在微酸环境和H2O2存在时，aHA的粒径变得不稳定，且NO快速释放，半衰期只有0.17小时，且通过高效液相色谱分析，释放出的药物分子确实为Cip，且24小时后，释放效率高达92%。材料的结构，形貌以及响应性表征过后，接下来作者对材料的应用方面进行了表征。首先作者选取金黄色葡萄球菌（S.aureus）作为模型细菌进行了抗菌活性验证，并研究了其抗菌的机理。通过最小抑菌浓度（MIC）和杀菌动力学等实验的结果表明，aHA的MIC为0.12 μg/mL，比单纯Cip药物小分子小两倍，且在作用4个小时左右就能杀灭99.9%的细菌。因为有NO的存在，aHA使得细菌胞内的ROS升高且细菌的细胞膜皱缩进而导致细菌破裂，胞内蛋白溶出（图4）。种种结果表明由于NO与Cip药物分子的协同作用，提高aHA的抗菌效果。抗菌只是材料应用的一方面，另一方面需要检验aHA对于成熟生物被膜的解离效果。作者通过传统涂布法、结晶紫染色、活死染色和激光共聚焦成像方式手段进行了表征，图5的结果可以看出，经过aHA处理后的生物被膜厚度变薄，生物被膜中的细菌被杀死，生物数降低，最终生物被膜被解离。最后，作者利用S.aureus构建了小鼠皮下生物被膜感染模型,如图6所示。作者通过每日给小鼠两腿皮下生物被膜感染处注射aHA进行治疗，连续治疗7天。并在此期间进行了感染周围组织细菌计数，感染部位生物发光成像，感染部位面积计算以及感染部位组织炎症因子的分析。实验结果表明感染部位经过aHA的治疗后，细菌数量明显减少甚至根除，且抑制促炎因子作用，提高抗炎因子的作用，从而达到杀菌抗炎的协同作用。--纤维素推荐--
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202214299声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！