負載卟啉鎵化合物的水凝膠材料抗菌性能研究*

郭欣宇，吳 哲，馬紅艷

(天津科技大學 化工與材料學院，天津 300457)

0 引 言

生物膜是生物膜是粘附在固體表面的，由生物膜自身的細胞外基質包裹活菌細胞形成具有的膜狀復合物[1]。據估計，每年有許多病人死于人工裝置感染產生的并發癥[2]，也是手術失敗的常見原因，如相關性尿路感染，關節假體感染等[3]。這是由植入部分的細菌粘附和生物膜形成導致的，細菌特別容易吸附在植入物表面[4]，在植入物和組織界面上形成生物膜[5]。設備表面的生物膜很難根除[6]，而且比浮游生物更牢固，不容易被抗生素所清除。目前預防生物材料感染的策略一般是用高濃度抗生素系統地治療患者，而抗生素的過度使用，使得細菌的耐藥性正在以驚人的速度增長[7]。L.M. Baddour等研究表明，傳統的治療效果十分有限[8]，久而久之抗生素耐藥性發展的風險大大增加。因此，由于這種感染導致的植入物切除甚至截肢越來越普遍。因此，開發兩性離子水凝膠作為藥物載體放置在植入生物材料與菌落細菌相互作用的界面作為一種治療策略[9]。本文選擇兩性離子聚合物材料(聚羧基甜菜堿，pCB)和非離子材料(聚甲基丙烯酸羥乙酯，pHEMA)進行了研究。

硝酸鎵(Ga(NO3)3)早就被美國食品藥品監督管理局(FDA)批準用于治療腫瘤病人高血鈣病癥[10]。人們于是將目光投向鎵類抗菌劑的抗菌效果及抗菌持效性。在大多數病原體中，Fe3+對其生長和關鍵酶的功能至關重要[11]。由于Ga3+與Fe3+有很強的相似性，細菌可能會識別不出Ga3+與Fe3+的區別[12]，從而破壞細菌的代謝過程，抑制細菌生長。而單一Ga3+的抗菌活性較低，需要與載體結合來提高其抗菌活性。本文利用Ga-CMP作為元素鐵類似物，代替Fe3+與鐵轉運蛋白形成復合物并將其傳遞到細胞中，將競爭性地抑制和細菌中的鐵代謝。

在常規給藥方式中，藥物濃度首先將達到峰值(爆發效應)，然后下降，達到所需的短暫治療劑量[13]。而控制給藥方法旨在一定時間內將全身藥物濃度保持在所需的治療范圍內，其中爆發效應可以忽略不計[14]。在這里，將開發一種模型水凝膠，它將持續釋放Ga配合物，這種負載聚合物系統可以開發成全新的植入物(敷料、導管、分流器、組織工程支架)[15]，或作為應用于現有留置設備的外部涂層[16]。

1 實 驗

1.1 選用菌種

表1為主要菌種。

表1 主要菌種Table 1 The main species

1.2 實驗儀器設備

AL204型精密電子天平，賽多利科學儀器(北京)有限公司；FE20型實驗室pH 計，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；78HW-1型數顯恒溫磁力攪拌器，杭州儀表電機有限公司；QL-861型漩渦振蕩器，海門市其林貝爾儀器制造有限公司；BSD-YX2400型立式雙層恒溫搖床，上海博迅醫療生物儀器股份有限公司；UV-1800型紫外可見分光光度計，島津企業管理(中國)有限公司；SB-1200型超聲波清洗機，寧波新芝生物科技股份有限公司；IMS-50型全自動雪花制冰機，常熟市學科電器有限公司；Scientz-IID超聲波破碎儀，寧波新芝生物科技有限公司；伯騰Cytation1細胞成像多功能酶標儀，美國伯騰儀器有限公司；WPL-65BE 型電熱恒溫培養箱，天津市泰斯特儀器有限公司；SW-CJ-2FD 型雙人單面凈化工作臺，蘇州凈化設備有限公司；YA28X-4T/10Ⅱ型高壓蒸汽滅菌鍋，寧波永興醫療器械公司。

1.3 培養基與試劑

10%LB培養基(g·L-1)：蛋白胨10，酵母浸粉5，氯化鈉10，調節pH值至7.2±0.2；0.3%LB培養基(g/L)：蛋白胨0.6，酵母浸粉0.3，氯化鈉0.6，調節pH至7.2±0.2；固體培養基是在液體培養基攪拌溶解后再加入20 g的瓊脂粉，其他步驟不變。PBS緩沖液(g/L)：4.1562 Na2HPO4，0.5286 NaH2PO4，調節pH值至7.0。在使用前需121 ℃，20 min滅菌。

PAGE膠促凝劑，西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司；乙二醇，天津百倫斯生物技術有限公司；過硫酸銨，上海Acmec生物科技有限公司；焦亞硫酸鈉，上海Acmec生物科技有限公司；N,N-亞甲基雙丙烯酰胺，阿拉丁試劑(上海)有限公司；甲基丙烯酸羥乙酯，上海吉至生化科技有限公司；四乙二醇二甲基丙烯酸酯，上海賢鼎生物科技有限公司。

1.4 抗菌劑

陽離子改性卟啉鎵(Ga-CMP)，天津大學化工學院生物化工合成產物，紫紅色粉末。在使用前需配置成溶液并用0.22 μm針頭式過濾器過濾滅菌。

1.5 試驗方法

1.5.1 兩性離子水凝膠材料(pCB)的制備

準確稱取兩性離子水凝膠單體(CBMA)0.2000 g，交聯劑(N,N-亞甲基雙丙烯酰胺)0.0050 g，溶解于500 μL 0.1 mol/L PBS(pH=7.4)緩沖溶液中，備用。為防止其他水摻進單體溶液，需用封口膜完全包裹離心管，在超聲波清洗儀超聲冰浴30 min。之后加入5 mg的熱引發劑(過硫酸銨)促進單體交聯聚合，加快成膠速度。分別吸取25 μL 0.5 mg/mL和1 mg/mL Ga-CMP溶液置于單體溶液中，再加入10 μL PAGE膠促凝劑，混勻。由于添加促凝劑的作用，pCB溶液非常容易迅速交聯成膠狀固體，因此需要快速用移液槍將溶液液體轉移至事先準備好的模具(100 mm×20 mm×1.0 mm)中進行聚合反應，用夾子夾好后并將模具置于烘箱37 ℃下，時間為20～30 min。

1.5.2 非離子水凝膠材料(pHEMA)的制備

分別吸取甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)328 μL，乙二醇100 μL，去離子水65 μL，四乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA)15 μL，按照順序加入到離心管中，作為單體溶液放置備用；準確稱量過硫酸銨0.13125 g，焦亞硫酸鈉0.04925 g，溶于656 μL去離子水中，并置于震蕩儀上震蕩至固體全部溶解，作為引發劑放置備用。

分別移取25 μL 0.5 mg/mL和1 mg/mL Ga-CMP溶液到單體溶液中，上下復吸幾次混合均勻；再吸取引發劑溶液74 μL置于單體溶液中，二者混勻后引發劑使單體聚合交聯成膠狀。置于冷凍高速離心機中。4 ℃，6000 r/min，2 min。待離心結束，快速將溶液用轉移至事先準備好的聚四氟乙烯模具(100 mm×20 mm×1.0 mm)中，將模具用夾子夾穩后置于37 ℃烘箱，烘干時間為15～20 min。

1.5.3 最低抑菌濃度(MIC)

挑取三區劃線培養的大腸桿菌(E.coli)與金黃色葡萄球菌(S.aureus)平板中的單菌落，接種在50 mL 10g/L的LB液體培養基中培養12 h。分別在5 mL 3% LB液體培養基中加入50 μL 105CFU/mL的菌懸液。經過預實驗，在各個離心管中分別移取定量10 mg/L Ga-CMP溶液，使得S.aureus懸浮液中Ga-CMP溶液的終濃度為 0，1，2，3，4 μM；E.coli懸浮液中Ga-CMP溶液的終濃度為 0，5，6，7，8，9，10 μmol/L。分別做3組平行，放在37℃搖床內培養24小時后，分別用PBS緩沖液稀釋105倍，取10 μL點樣在10% LB固體培養基平板內，將平板放置在37 ℃培養箱中培養12 h，最后數出平板中細菌的個數并計算各個藥物在相應濃度的抗菌率以及Ga-CMP的MIC。

1.5.4 載有Ga-CMP的水凝膠緩釋載體模型

測定Ga-CMP釋放研究中使用的所有水凝膠的干重。在假設藥物均勻分布的情況下，計算每個圓形樣本中的“凈載藥量”。為了確定每個樣品的釋放動力學，用打孔器將制備好的整張水凝膠打成直徑為1 cm的圓形水凝膠，將達到吸水平衡的含有不同濃度Ga-CMP的1 cm的圓形水凝膠樣品置于24孔板中，每孔1片，在每孔加入2 mL PBS 緩沖液浸泡，記為第1天，從第1天到第30天，吸取水凝膠的全部浸出液，并用相同量的PBS緩沖液替換。為了防止藥物在光照下降解，每個孔板都用鋁箔包裹。然后將孔板放在37 ℃，120 r/min的振蕩器上培養。通過標準曲線法測試溶液在420 nm波長下的吸光度，從而對水凝膠樣品浸出液中的卟啉鎵進行精確定量，以獲得水凝膠中包埋Ga-CMP的緩釋數據。空白對照為不載有Ga-CMP的水凝膠。水凝膠緩釋釋放實驗重復3次試驗得到穩定的數據。藥物緩釋動力學的公式：

一段時間內累積釋放的藥物總量為：

(1)

式中：MACC(t)：在任何時間t釋放的累積藥物總量；Vs：洗脫介質的體積；Cdrug(t)：時間t時的藥物濃度。

藥物隨時間的累計釋放百分比為：

(2)

式中：Mtotal為每個樣品中的藥物總量。

1.5.5 載有Ga-CMP水凝膠的抗菌效果

(1)活化細菌：從已劃好線的平板上挑取單菌落，接到10 g/L LB培養基中，在恒溫搖床37℃培養12 h。將過夜培養后的細菌離心，去上清后，用PBS緩沖溶液重懸，稀釋后保證細菌OD值為1.0，此時按照10%的接種比例接種到0.3 g/L LB培養基中。在恒溫搖床培養6 h后，在24孔板中每孔加入2 mL。

(2)細菌和水凝膠共培養：將制備好的直徑為1 cm的圓形水凝膠樣品在紫外環境下滅菌15～20 min，期間隔一段時間翻面，使其完全滅菌。滅菌后在含有上述細菌的24孔板中每孔1片，做3組平行。為防止光照下降解，將孔板用錫紙包裹好。放在恒溫搖床中培養，溫度為37 ℃，轉速設置為120 r/min。

(3)為了探究水凝膠表面上并沒有生物膜存在，在8 h、12 h、24 h時，將水凝膠從孔板中取出置于加樣槽中，并用滅菌的PBS緩沖液沿加樣槽內壁緩緩洗滌兩次，然后放入含有2 mL PBS的離心管中，用細胞破碎儀探針進行超聲。超聲后分別稀釋105倍、104倍后在平板上進行點樣，重復3次。靜置培養24 h后，觀察記錄結果。

2 結果與討論

2.1 最低抑菌濃度

圖1(a)和圖2(a)分別是Ga-CMP在不同濃度下對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率變化曲線。由圖1(a)所示，測得Ga-CMP對金黃色葡萄球菌的MIC為4 μm。Ga-CMP濃度范圍在2～3 μm時，抗菌率變化最大，直至4 μm時抗菌率達到100%。圖2(a)可以看出，Ga-CMP在添加濃度為10 μm時對大腸桿菌的抑菌率達到100%。圖1(b)、圖2(b)分別為對應的菌落生長情況，其中的數字代表添加的Ga-CMP的濃度。

圖1 金黃色葡萄球菌在添加不同濃度Ga-CMP下的抗菌曲線及菌落生長狀況：(a)金黃色葡萄球菌的抗菌率曲線；(b)金黃色葡萄球菌的菌落生長狀況Fig.1 Antibacterial curves of S. aureus with different concentrations of GA-CMP:(a)antibacterial rate curve of S. aureus;(b)Colony growth of S. aureus

圖2 大腸桿菌在添加不同濃度Ga-CMP下的抗菌曲線及菌落生長狀況：(a)大腸桿菌的抗菌率曲線；(b)大腸桿菌的菌落生長狀況Fig.2 Antibacterial curves of E.coli with different concentrations of GA-CMP:(a)antibacterial rate curve of E.coli;(b)Colony growth of E.coli

以上結果說明，在實驗濃度范圍內，細菌的生長均會隨著用藥量的增加而受到更強的抑制和毒害。在實驗中大腸桿菌和金黃色葡萄球菌分別為革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌具有代表性的細菌，Ga-CMP對金黃色葡萄球菌的最低抑菌濃度為4 μM，對大腸桿菌的最低抑菌濃度為10 μM，實現了廣譜抗菌的目的。

2.2 Ga-CMP水凝膠緩釋載體模型

2.2.1 Ga-CMP水凝膠的藥物緩釋釋放

測定水凝膠中Ga-CMP的濃度是通過測定樣品的吸光度獲得的：使用已知濃度的溶液進行校準以獲得在任何給定條件下確定濃度的最佳擬合方程吸光度，即之前所做的Ga-CMP的標準曲線。使藥物的釋放速率可以被量化。為了產生所需的緩釋動力學，通過研究不同Ga-CMP含量對釋放率的影響。Ga-CMP在pHEMA和pCB的含量為：0、250、500 μg/mL。使用式(2)計算Ga-CMP聚合物基質中的釋放率。以時間為橫坐標，藥物釋放速率為縱坐標做出圖3。結果顯示，包埋不同濃度Ga-CMP的水凝膠在1～30天的測試區間內能夠持續釋放卟啉鎵，負載500 μg/mL的Ga-CMP-pCB樣品具有最高的持續釋放率，最大累積釋放百分比為6.23%。不含Ga-CMP的基質均表現出Ga-CMP的釋放速率明顯緩慢。

如圖3所示，1～3天0 μg/mL和250 μg/mL Ga-CMP-pHEMA的釋放速率無顯著性差異。3～10天中從250 μg/mL，500 μg/mL Ga-CMP-pHEMA水凝膠中累計釋放速度明顯加快，500 μg/mL Ga-CMP-pHEMA水凝膠釋放的濃度達到13 μg/mL，已經超過所需的最小抑菌濃度，且釋放百分比達到了2.12%，是最大積累釋放量的39.3%。在10天之后，從0 μg/mL和250 μg/mL Ga-CMP-pHEMA水凝膠中累計釋放的濃度較低，曲線呈平緩狀。500 μg/mL Ga-CMP-pHEMA水凝膠中Ga-CMP的釋放速率仍在逐漸增加。到第30天，從500 μg/mL水凝膠中總累計釋放的Ga-CMP濃度達到396 μg/mL。

pCB在第1天的釋放動力學與pHEMA沒有顯著差異。相比之下，pCB(500 μg/mL)在30天內釋放了約96%的總載藥量。圖3中數據表明，在3～10天內3種水凝膠的釋放速度都明顯加快，這也與之前對緩釋釋放的規律研究所一致。10～30天中，Ga-CMP的含量越多釋放的越快。到第30天時，500 μg/mL Ga-CMP-pCB水凝膠的釋放量為30 μg/mL，總積累量達到了480 μg/mL，是pHEMA水凝膠總積累量的1.2倍。

圖3 載有Ga-CMP的不同水凝膠緩釋釋放曲線Fig.3 Sustained release curves of different hydrogels loaded with GA-CMP

這樣恒定、緩慢、持續的藥物釋放方式抑制了細菌在液相中的懸浮生長，并且可長效利用。在基于生物材料釋放的抗菌保護方面，聚合物中的鎵復合物提供了優于常規抗生素的幾個優點。首先，Ga-CMP的極低MIC值非常適合作為持續給藥載體，以防止體內生物膜的形成，這降低了分配生物材料所需的釋放速率[17]。第二，任何分配的生物材料最終都會到達使用壽命，這時大多數裝載的藥物會消失并且藥物濃度下降到有效水平以下。相比之下，低于抑制濃度的常規抗生素不但不會影響浮游生物的生長，實際上會加劇生物膜的形成[18]。

2.2.2 載有Ga-CMP水凝膠的固相表面抗菌效果

在預實驗中，兩種水凝膠在液相中均顯示出了很好的抗菌效果，為進一步探究兩種水凝膠對表面生物膜的抗菌性能，分別在水凝膠形成后的8 h、12 h、24 h在水凝膠的表面進行抗菌實驗。在點樣時，將每個平板分成3部分，分別代表的是空白水凝膠、250 μg/mL Ga-CMP的水凝膠，500 μg/mL Ga-CMP的水凝膠；每部分的上面是稀釋度為103倍，下面是稀釋度為104倍。對于金黃色葡萄球菌，如圖4(a)、(b)所示，在這3個時間點，空白pHEMA點樣后形成的菌落數從6.0×106CFU/cm2降低至2.1×106CFU/cm2，變化差異并不明顯。而250 μg/mL pHEMA-Ga-CMP在8 h和12 h顯示出了與空白對照相似的結果，直到24 h從4.7×106CFU/cm2降低至0，將金黃色葡萄球菌完全抑制。500 μg/mL pHEMA-Ga-CMP在12 h顯示出對金黃色葡萄球菌良好的抗菌性，從1.3×106CFU/cm2降低至0。

圖4(c)、(d)為pHEMA對大腸桿菌的抑菌效果。在8 h時250 μg/mL pHEMA-Ga-CMP和500 μg/mL pHEMA-Ga-CMP對大腸桿菌就出現了較為明顯的抑制性。由此可以說明，pHEMA-Ga-CMP對大腸桿菌的敏感性高于對金黃色葡萄球菌。

圖4 不同pHEMA-Ga-CMP水凝膠表面對細菌的抗菌性能：(a)pHEMA-Ga-CMP對金黃色葡萄球菌的抗菌效果；(b)對應的菌落平板；(c)pHEMA-Ga-CMP對大腸桿菌的抗菌效果；(d)對應的菌落平板Fig.4 Antibacterial properties of different Phema-Ga-CMP hydrogels against bacteria:(a)antibacterial effect of Phema-Ga-CMP on S. aureus;(b)corresponding colony plate;(c)antibacterial effect of Phema-Ga-CMP on E. coli;(d)corresponding colony plate

圖5(a)、(b)為pCB-Ga-CMP對金黃色葡萄球菌的抑菌效果，其中空白pCB與空白pHEMA結果相似。對于250 μg/mL pCB-Ga-CMP在8 h、12 h較空白pCB變化差異不大，24 h從6.1×106CFU/cm2降低至0。對于500 μg/mL pCB-Ga-CMP，在12 h較空白pCB從2.0×106CFU/cm2降低至6.6×105CFU/cm2，降低了1個數量級。在24 h較空白pCB顯示出了對金黃色葡萄球菌完全的抑制。

圖5 不同pCB-Ga-CMP水凝膠表面對細菌的抗菌性能：(a)pCB-Ga-CMP對金黃色葡萄球菌的抗菌效果；(b)對應的菌落平板；(c)pCB-Ga-CMP對大腸桿菌的抗菌效果；(d)對應的菌落平板Fig.5 Antibacterial properties of different PCB-Ga-CMP hydrogels against bacteria:(a)antibacterial effect of PCB-Ga-CMP on S. aureus;(b)corresponding colony plate;(c)antibacterial effect of PCB-Ga-CMP on E. coli;(d)corresponding colony plate

圖5(c)、(d)為pCB-Ga-CMP對大腸桿菌的抑菌效果，與金黃色葡萄球菌相似，在8 h和12 h，250 μg/mL和500 μg/mL pCB-Ga-CMP較空白pCB變化差異不大，24 h時250 μg/mL pCB-Ga-CMP從6.0×106CFU/cm2降低至0；500 μg/mL pCB-Ga-CMP從2.0×106CFU/cm2降低至0，此時大腸桿菌完全被抑制。

并且開發這種以Ga-CMP作為抗菌劑加載，以實現連續的藥物控釋系統比傳統的植入式藥物傳遞裝置具有一些優勢。其一這種水凝膠可持續釋放抗菌藥物1個月。相比之下，傳統抗生素封裝的藥物遞送膜在一周內釋放幾乎100%的藥物[19]。從膜中持續釋放的藥物并沒有殺死浮游階段的細菌，但確實阻止了它們在表面的定殖。第二，pHEMA聚合物和pCB均為無毒生物材料，前者被FDA批準用于制備隱形眼鏡，而pCB為兩性離子材料，具有良好的生物相容性。第三，細菌持續暴露在致死或亞致死劑量下會導致耐藥菌株的增加，本文利用的Ga-CMP的發揮出鎵抗菌機制，切斷細菌輸入鐵的路徑。

3 結 論

研究對陽離子改性卟啉鎵(Ga-CMP)進行了最低抑菌濃度(MIC)的測定。成功制備了兩性離子水凝膠(pCB)和非離子水凝膠材料(pHEMA)，對其負載Ga-CMP藥物后的釋放能力和抗菌能力進行了考察。結果表明，Ga-CMP對金黃色葡萄球菌的MIC為4 μmol/L，對大腸桿菌的MIC為10 μmol/L。在持續30天內兩種水凝膠材料都表現除了持續緩釋釋放，載有Ga-CMP的pCB材料釋放與積累的百分比高于pHEMA，且釋放量超過Ga-CMP的最低抑菌濃度。對于金黃色葡萄球菌，500 μg/mL pHEMA-Ga-CMP在12 h時的抑菌率可達到100%；而500 μg/mL pCB-Ga-CMP在24 h時的抑菌率為100%。對于大腸桿菌，500 μg/mL pHEMA-Ga-CMP在8 h時的抑菌率為100%；而500 μg/mL pCB-Ga-CMP在24 h時的抑菌率達到100%。因此可得出結論，負載Ga-CMP的兩種水凝膠在24 h對兩種細菌生物膜都有良好的清除效果。