勇于冒险 甘于艰苦 乐于和谐

       1928年，人类历史上第一种真正意义上的抗生素——青霉素由英国细菌学家Alexander Fleming发现，自此改变了人类与病原菌间的斗争。随后几大类天然抗生素的发现，开启了人们抵御常见病原菌感染的新时代。然而，自从20世纪40年代第一支青霉素投入临床，对其耐药的细菌就层出不穷。抗生素的广泛使用，对各种细菌产生了极高的选择压力。

       通过质粒上抗生素抗性基因在种内和种间的横向传播，细菌可以自然地获得和积累耐药基因。 尤其是医院和畜牧业广泛使用抗生素，大大加速了细菌耐药性的发展，给世界经济造成了巨大的负担。为了克服细菌耐药性问题，人们增加了天然抗生素筛选的规模和深度。然而，随着新型天然抗生素的发现越来越难，人们只能被迫转向其他方法，例如对现有的抗生素结构进行修饰或半合成；微生物发酵筛选；使用新出现的基因组学方法以及高通量筛选来获得目标产品。尽管这些努力对人类与耐药菌的对抗做出了很大贡献，但巨大的人力和资金投入与产出并不成正比。由于投入产出比极不平衡，不少药企在新抗生素的研发上已经停止投入过多精力，这也导致了抗生素产品线的逐渐枯竭。与此同时，耐药菌株增多的趋势依然势不可挡。

       通常，如果一种细菌携带多种抗生素的耐药基因，我们就称其为多药耐药菌（Multidrug-resistant bacteria），或“超级细菌(Superbug)”。自1960年代以来，人们陆续发现了多种“超级细菌”。除了被称为”ESKAPE”的六大常见多药耐药菌之外（E: 粪肠球菌，S: 金黄色葡萄球菌，K:肺炎克雷伯菌,A:鲍曼不动杆菌P:铜绿假单胞菌E:肠杆菌属），诸如多药耐药的念珠菌属（Candida），艰难梭菌（Clostridioides difficile），淋球菌（Neisseria gonorrhoeae），肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae），沙门氏菌属（Salmonella），结核杆菌（Mycobacterium tuberculosis）等，也在逐渐造成越来越严重的威胁。据美国疾病控制和预防中心2019年估计，仅在美国，每年就有超过 280 万例耐药细菌感染，导致 35,000 多人死亡。在美国，社区相关的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）感染每年会给社会带来1.4-13.8亿美元的负担，而且这一数额还在不断增加。

       与此同时，随着人们对于耐药菌认识的不断加深，一些条件致病的多药耐药菌所受的关注也在增加，例如耐甲氧西林表皮葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus epidermidis，MRSE）。由于其广泛分布于人体皮肤表面，曾一度被认为是一种普通的共生菌。相较于分泌细菌外毒素较强的MRSA来说，其毒力较弱，难以引起正常人的系统性感染。然而，正是由于MRSE 的广泛分布，使得其增加了对人体的感染机会。另外形成生物膜（由细菌分泌的生物大分子及活细菌构成的厚毯状细菌群体，内含蛋白质、多糖、DNA等）的能力也使得MRSE能够定植于导管表面，从而造成反复且难以处理的院内感染，尤其是在免疫功能低下的患者中。在 2015-2017 年的一项调查中，MRSE被归类为成人血流感染以及成人手术部位感染病原体中的头号细菌。

       此外，由于MRSE可以频繁地交换和积累耐药基因而不会引起身体症状，它也作为潜在的耐药基因库来促进种内和种间的耐药转化，从而促使更多多药耐药菌株的产生。在过去的20 年中，新抗生素的开发停滞不前，而多药耐药细菌层出不穷。人们迫切需要寻求新的方法来扩大针对 MRSE、MRSA 和其他多药耐药细菌的一线药物，寻找包括抗多药耐药菌株在内的广谱药物和难以诱导耐药性的药物变得迫在眉睫。

       在传统抗生素工业的高通量筛选以及化学合成与修饰以外，纳米抗菌材料，尤其是抗多药耐药菌的纳米材料逐渐走入人们的视线。相较于传统抗生素，纳米抗菌材料的合成摒弃了大量繁琐的合成与提纯过程，仅需要对其进行简单的修饰。其生物相容性也相对较好。另外相较于抗生素依赖特定靶点的问题，纳米抗菌材料能够多通路抗菌，使细菌不易对其产生耐药性。以上这些都为治疗耐药细菌引起的感染性疾病提供了全新策略。抗耐药菌纳米材料一般可以简单分为有机、无机和复合材料三大类别。有机抗耐药菌纳米材料的来源可以是天然动植物及其代谢产物，通过对其结构的化学修饰赋予其较好的抗耐药菌效果；也可以来源于人工合成的高分子聚合物。

       从虾、蟹等水生节肢动物的外骨骼中提取并处理得到的壳聚糖（Chitosan），作为天然获取的正电有机高分子材料，具有非常好的人体相容性和代谢性。它能够与细菌表面负电荷吸引而破坏其膜结构，从而达到杀菌的目的。通过进一步在其侧链引入一系列的抗菌基团（季铵基，胍基），修饰后的壳聚糖能够拥有更强的抗耐药菌效果。类似的修饰也被应用在棉纤维和纸浆纤维上。同样是天然多糖，纳米原纤化纤维素作为一类取材于天然植物纤维的纳米材料，其比表面积大、生物相容性非常好。通过温和的氧化处理，醛基化的纳米原纤化纤维素作为伤口敷料，展现出对MRSA极好的杀伤效果。

       人工合成的抗耐药菌纳米聚合物多种多样，以超支化聚乙烯亚胺为例，这种带正电的合成纳米高分子能够以细菌的细胞壁为目标，阻断耐药酶的作用，进而破坏MRSE耐药性。与抗生素协同使用，超支化聚乙烯亚胺能够敏化MRSE，进而增强已耐药抗生素的杀伤效果。除了化学聚合而成的高分子抗耐药菌纳米材料，超分子自组装纳米材料，即通过一系列分子间作用力控制分子的聚集行为，使其在溶剂中组合成为纳米网络，在此过程中凝聚并抑制多药耐药细菌的增长，也是一种有效控制和杀灭耐药菌的手段。

       无机抗耐药菌纳米材料主要包括碳基、硅基和金属基抗耐药菌材料。其中各类金属钠米颗粒及金属化合物颗粒组成了对抗多药耐药菌感染的有效力量。银作为一种具有抗菌效果的金属，以其为原料制成的器皿和餐具自古以来就一直被人们使用。制成银纳米颗粒后，由于比表面积增大，银具有了更强大的抗菌效果，协同使用后，银纳米颗粒更是能够成百上千倍的增强抗生素对多药耐药细菌的杀伤力。但是银离子对于人体的毒性一直是一个不可回避的问题。通过简便的方法将纳米尺度的银纳米颗粒同介孔硅材料进行结合，能够在维持其抗菌浓度的前提下有效降低其对于人体细胞的毒性。另外将其与金或其他金属制成合金纳米颗粒，也能够有效地提高其人体相容性。

       金纳米颗粒在1857年被发现，相较于银来说，金具有较高的化学惰性以及生物相容性，因此其抗菌应用也更加广泛。我们发现将抗生素的合成中间体与金纳米颗粒进行结合，能够增强其对耐对应抗生素的大肠杆菌的杀伤作用。金纳米颗粒的神奇不仅仅局限于此，将抗菌活性较弱的氨基嘧啶衍生物修饰在金纳米颗粒表面后，其展现出对于多药耐药革兰氏阴性菌（大肠杆菌和铜绿假单胞菌）的高效杀灭效果。这种修饰了氨基嘧啶衍生物的金纳米颗粒通过改变细菌表面正常生理电位，抑制ATP合酶活性，降低ATP水平，使得细菌的代谢水平整体下降。另一方面抑制核糖体亚基与tRNA结合，破坏其翻译过程。这种多靶点作用使得金纳米颗粒在有效对抗多药耐药细菌的同时不容易引起耐药性的过度积累。通过和其他非抗菌小分子共修饰，这种双配体的金纳米颗粒更是对多种耐药革兰氏阴性和革兰氏阳性菌都展现出抗菌效果。除了氨基嘧啶类小分子，氨基糖苷类小分子也能够在偶联金纳米颗粒后展现出对于耐药菌的杀灭效果。将其制成涂层或者通过纺丝的方式织成伤口敷料后，都能够有效防止多药耐药细菌的黏附和后续生物膜的形成。

       除了对于其表面配体类型进行改变，对于金纳米颗粒的表面配体密度进行调节能够使得金纳米颗粒的抗菌谱在阳性耐药菌和阴性耐药菌之间转换，可以用于治疗复杂的复合型耐药菌感染。另外对于金纳米颗粒的核心进行其他贵金属的掺杂也能增强其抗菌活性。通过调控掺杂比例，金-铂、金-铑、金-钌合金构成的合金纳米颗粒均对于多重耐药的革兰氏阴性菌展现出较高的抗菌活性。金纳米颗粒的粒径在几到数百纳米不等，因此对于其尺寸的调控也展现出与其抗耐药菌活性极高的相关性。通过减小金纳米颗粒的尺寸到小于2纳米的范围，金纳米颗粒的抗菌谱和抗菌活性相较于尺寸稍大的金纳米颗粒都有了明显的提高。

       通常我们将直径小于2纳米的金纳米颗粒称为金纳米簇。在对抗多药耐药细菌的方面，金纳米簇因其高稳定性、制备简单和稳定的荧光而被广泛研究。通过在其表面修饰长链季铵配体，这些带有橙红色荧光的金纳米簇能够有效破坏MRSA的细胞膜结构，进而治疗MRSA引起的伤口感染。将其修饰在牙套表面后，其出色的抗菌能力能够有效治疗耐药链球菌引起的口腔炎症。特别地，由于其独特的光热效应，修饰了DNA酶的金纳米簇能够有效的破坏生物膜，进而产生广谱的抗耐药菌效果。

       双配体修饰的金纳米簇能够有机结合两种配体的优势。通过优化配体比例，金纳米簇可以通过多种抗菌作用有效杀死多药耐药的革兰氏阳性菌，包括诱导细菌聚集、破坏细菌膜完整性和电位以及产生活性氧。此外，将优化后金纳米簇与一线抗生素相结合可以显着逆转耐药，从而大大提高一线抗生素的疗效，增强体外和皮肤感染动物模型对多药耐药菌的抗菌活性。此外，这些金纳米簇的近红外荧光可被用于监测其生物分布和体内清除效率。

       以二硫化钼为代表的二维纳米金属化合物抗菌材料，能够响应光线的照射进而释放出活性氧。这些活性氧基团作为高效的氧化剂，能够与重要的生物大分子，例如膜蛋白以及DNA结合并损坏其结构。因此，这些二硫化钼纳米片能够广谱性地杀灭多重耐药的大肠杆菌和MRSA。

       将有机和无机的抗耐药菌纳米材料进行结合后，其性能能够得到很大的提升。例如将纳米晶体纤维素作为底物，在其表面合成银纳米颗粒，不仅可以用于葡萄糖的比色检测，其对于多种耐药的革兰氏阳性和阴性菌也表现出极高的抗菌作用。将氨基嘧啶衍生物负载的金纳米颗粒同细菌纤维素相结合，得到的抗菌辅料不仅能保持金纳米颗粒优良的抗耐药菌效果，其物理化学性质，包括吸水能力、机械应变和生物相容性都得到了极大的提升。随着抗生素危机的逐渐来临，这些新兴的抗耐药菌纳米材料为我们对抗日益增长的多药耐药细菌种类以及越来越普遍的耐药细菌感染构筑了新的防线。我们设想这些抗多药耐药菌纳米材料能够在不远的未来脱离实验室进入到医院、学校、工厂等生活的方方面面，为人类的健康助力。

拓展阅读：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2021/sc/D1SC03056F

本文作者：庞泽阳

微流控-纳米生物实验室