中科院蘇州醫工所納米抗菌材料研究取得進展

全世界范圍內對抗生素的濫用導致許多病原菌對抗生素產生了耐藥性，“超級細菌”的出現和廣泛流行使感染性疾病的治療再次成為難題。盡管仍在開發新的抗生素，但開發速度落后于病原菌耐藥發展的速度。因此，迫切需要新的抗菌劑或治療策略來對抗高度耐藥的細菌。

光熱治療（photothermal therapy，PTT）是一種基于光化學反應的微創技術，通過將光能轉化成熱能，從而殺死細菌。其物理特性的治療機制使其在治療細菌感染時可以避免耐藥性的產生。PTT的核心是強光轉化效率納米材料的開發。光熱納米材料的研發是被廣泛關注的熱點，材料涉及貴金屬、半導體、碳納米材料和有機化合物等，它們均表現出較好的光熱效果與殺菌效果。但由于這些材料對細菌缺乏特異性，光熱效果在殺菌的同時容易對宿主細胞造成傷害，因此對其利用只能停留在體外階段，所以研發具有特異性的光熱殺菌材料十分重要。

MurD連接酶是細菌細胞壁合成中重要的酶，主要作用是催化中間產物與D-谷氨酸（D-Glu）結合。由于該酶只存在于原核生物中，并且只有原核生物能夠利用D型的氨基酸，所以D-Glu衍生物常被用于研發抗菌劑，可以通過抑制細胞壁合成達到抗菌的目的。

近日，中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所宋一之課題組和董文飛課題組以此為靶點，共同設計并開發出一種新型細菌特異性結合的納米抗菌碳點BAPTCDs（Bacteria-Affinitive Photothermal Carbon Dots），設計原理如圖1所示，BAPTCDs由鄰苯二胺和D-Glu通過溶劑熱的方法合成，可以特異性結合細菌，并在激光照射下迅速升溫，破壞細菌細胞壁并殺死細菌。

圖1 BAPTCDs合成和作用機理示意圖

BAPTCDs的升溫效果會隨著材料濃度和激光功率的升高而升高，因此后期使用可以通過材料濃度和激光功率靈活調節升溫效果（圖2）。BAPTCDs的D型結構使其本身可以通過侵入細菌細胞壁殺死細菌，達到80%以上的殺菌效率。結合激光器照射產生的高溫，該材料可以殺死96.33%的大腸桿菌（ATCC 700926）和接近100%的金黃色葡萄球菌（ATCC 29213）。碳點材料本身具有穩定性高、熒光量子效率高、水溶性好和無毒等優點，因此該材料具有較好的應用前景（圖3）。

圖2 BAPTCDs光熱效果圖（圖A為不同濃度BAPTCDs在808nm激光器1.5W/cm2功率照射下的升溫情況，圖B為200μg/ml BAPTCDs溶液在不同激光功率下的溫度變化情況）

圖3 BAPTCDs在不同環境中的存活數量變化（從左到右分別為大腸桿菌ATCC 700926和金黃色葡萄球菌ATCC 29213在PBS、近紅外激光、BAPTCDs溶液和BAPTCDs與近紅外共同作用下的結果。圖A為標準平板法結果，圖B和圖C為菌落數據統計結果）

相關科研究成果以“Design,synthesis,and application of carbon dots with synergistic antibacterial activity”為題，發表在Frontiers in Bioengineering and Biotechnology上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院科研儀器設備研制項目和江蘇省自然科學基金等的支持。