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北京化工大學(xué)王興教授團(tuán)隊(duì) ACS AMI:GSH/pH級(jí)聯(lián)響應(yīng)納米粒子通過協(xié)同的光和化學(xué)療法消除耐甲氧西林金黃色葡萄球菌生物被膜
2024-01-29  來源:高分子科技

  細(xì)菌感染仍是威脅公眾健康的主要醫(yī)療問題?股氐倪^度使用頻繁導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生。細(xì)菌還會(huì)進(jìn)一步形成生物被膜。生物被膜中EPS極大地阻礙了抗生素的內(nèi)化,大大降低了抗生素抗菌效率。此外,由于生物被膜的缺氧特征,細(xì)菌會(huì)積累大量酸性代謝物。缺氧和微酸性環(huán)境會(huì)減緩細(xì)菌的新陳代謝,從而加劇細(xì)菌對(duì)抗生素的耐受性。因此,亟需開發(fā)一種有效的策略來提高抗生素的療效,從而實(shí)現(xiàn)低劑量高效率根除耐藥細(xì)菌及其生物被膜。


  為此,北京化工大學(xué)王興教授課題組設(shè)計(jì)了一種具有光療和抗生素協(xié)同效應(yīng)的GSH/pH級(jí)聯(lián)響應(yīng)NPs,用于靶向根除耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)及其生物被膜(圖1。首先,合成了一種主鏈中含有二硫鍵、側(cè)鏈中含有懸墜醛基的聚碳酸酯基聚合物(SP)。然后,萬古霉素(Van)通過席夫堿(Schiff base)鍵與SP結(jié)合,形成SP-Van。最后,用SP-Van包裹IR780,得到納米粒子SP-Van@IR780 NPs。由于Van具有細(xì)菌肽聚糖靶向能力,SP-Van@IR780 NPs可以主動(dòng)富集到細(xì)菌感染部位。細(xì)菌感染微環(huán)境中過量表達(dá)的GSH會(huì)引發(fā)二硫鍵的快速斷裂,導(dǎo)致SP-Van@IR780 NPs逐漸崩解,有助于實(shí)現(xiàn)藥物的深層滲透。二硫鍵對(duì)GSH的消耗可促進(jìn)ROS在感染微環(huán)境中的積累,敏化PDT的殺菌作用。同時(shí),SP-Van@IR780 NPs中的席夫堿鍵在低pH下斷裂,VanNPs上脫離,從而殺死內(nèi)部細(xì)菌;VanIR780表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)(FICI0.28),使IR780Van的給藥劑量分別減少50%83.3%。與對(duì)照組相比,SP-Van@IR780 NPs對(duì)MRSA生物被膜和小鼠皮下膿腫的治療效果更佳。因此,SP-Van@IR780 NPs利用智能給藥系統(tǒng)協(xié)同光療和抗生素,是治療耐藥細(xì)菌感染及其生物被膜的一種很有前景的策略。  


1. GSH/pH級(jí)聯(lián)響應(yīng)SP-Van@IR780 NPs通過光療和抗生素協(xié)同清除MRSA生物被膜。


文章要點(diǎn):


  (1SP-Van@IR780 NPs的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)性能(圖2):研究表明,SP-Van@IR780 NPs粒徑均一且穩(wěn)定性良好。NPs中的二硫鍵可以消耗環(huán)境中的GSH,從而累積ROS的產(chǎn)生,敏化PDT。在GSH和低pH環(huán)境中,NPs中二硫鍵和席夫堿鍵逐級(jí)斷裂,粒徑變小,有助于在細(xì)菌感染部位實(shí)現(xiàn)深層的生物被膜滲透和可控的藥物釋放。 


2. SP-Van@IR780 NPs的表征。


  (2體外殺菌活性(圖3):棋盤法實(shí)驗(yàn)表明,VanIR780具有顯著的協(xié)同抗菌作用(FICI=0.28)。當(dāng)VanIR780濃度均為5 μg/mLSP-Van@IR780 NPs對(duì)MRSA的清除效率高達(dá)99.99999%。在同程度的抗菌效果下,SP-Van@IR780 NPsVanIR780的使用劑量分別降低了83.3%50% 


3. SP-Van@IR780 NPs的體外抗菌活性。


  (3體外細(xì)菌生物被膜的清除能力(圖4):研究表明,在無激光照射下,SP-Van@IR780 NPs可以有效滲透至生物被膜內(nèi)部。在近紅外照射下,NPs降解后釋放出的IR780會(huì)產(chǎn)生熱量和ROS,從而破壞EPS,并使隱匿在生物被膜內(nèi)部、代謝活性較低的細(xì)菌復(fù)活。穿透生物被膜內(nèi)部后,NPs中的席夫堿鍵在低pH下斷裂。然后,VanNPs上脫離,從而殺死內(nèi)部細(xì)菌并消除生物被膜。因此,SP-Van@IR780 NPs通過引入二硫鍵和席夫堿鍵,有效發(fā)揮低劑量光療和Van的協(xié)同作用。 


4. SP-Van@IR780 NPs對(duì)細(xì)菌生物被膜的滲透和清除能力。


  (4SP-Van@IR780 NPs對(duì)小鼠皮下膿腫模型的治療性能(圖5:受試小鼠經(jīng)尾靜脈注射NPs后,通過IVIS觀察到NPs在小鼠膿腫部位實(shí)現(xiàn)24 h-96 h的長效蓄積。在藥物注射后24 h72 h分別施以激光照射(808 nm, 0.5 W?cm–2, 5 min)。在第10天時(shí),與單一治療組相比,SP-Van@IR780 NPs組傷口面積最小、殘余細(xì)菌數(shù)最少且組織愈合程度最高。 


5. SP-Van@IR780 NPs對(duì)小鼠皮下膿腫模型的治療性能。


  綜上所述,該研究提出了強(qiáng)效的SP-Van@IR780 NPs,以實(shí)現(xiàn)對(duì)浮游MRSA和生物被膜的有效清除。二硫鍵和席夫堿鍵的引入賦予了SP-Van@IR780 NPs優(yōu)異的生物被膜穿透能力、ROS積累能力和靶向遞送能力,充分發(fā)揮了SP-Van@IR780 NPs的多功能優(yōu)勢。該NPs在溫和光療和抗菌治療方面表現(xiàn)出獨(dú)特的協(xié)同效應(yīng)(FICI =0.28)。在近紅外照射下,光療產(chǎn)生的ROS破壞EPS并激活細(xì)菌,而抗生素Van可以靶向感染部位并殺死被活化的細(xì)菌。體外和體內(nèi)結(jié)果均表明,SP-Van@IR780 NPs能夠有效消除生物被膜感染。同時(shí),SP-Van@IR780 NPs具有良好的生物相容性,該研究為臨床消除生物被膜相關(guān)感染性疾病提供了一種有效的納米平臺(tái)。


  相關(guān)研究成果近期以“GSH/pH Cascade-Responsive Nanoparticles Eliminate Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus Biofilm via Synergistic Photo-Chemo Therapy”為標(biāo)題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上。本論文第一作者為北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士畢業(yè)生康曉旭和碩士畢業(yè)生楊玄坤。北京化工大學(xué)王興教授、李國鋒副教授為論文的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、北京化工大學(xué)-中日友好醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化工程研究中心的資助與支持。


  文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.3c17198

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