? ? ? ?1928年，人類歷史上第一種真正意義上的抗生素——青霉素由英國細菌學家Alexander Fleming發現，自此改變了人類與病原菌間的斗爭。隨后幾大類天然抗生素的發現，開啟了人們抵御常見病原菌感染的新時代。然而，自從20世紀40年代第一支青霉素投入臨床，對其耐藥的細菌就層出不窮。抗生素的廣泛使用，對各種細菌產生了極高的選擇壓力。 ? ? ? ?通過質粒上抗生素抗性基因在種內和種間的橫向傳播，細菌可以自然地獲得和積累耐藥基因。 尤其是醫院和畜牧業廣泛使用抗生素，大大加速了細菌耐藥性的發展，給世界經濟造成了巨大的負擔。為了克服細菌耐藥性問題，人們增加了天然抗生素篩選的規模和深度。然而，隨著新型天然抗生素的發現越來越難，人們只能被迫轉向其他方法，例如對現有的抗生素結構進行修飾或半合成；微生物發酵篩選；使用新出現的基因組學方法以及高通量篩選來獲得目標產品。盡管這些努力對人類與耐藥菌的對抗做出了很大貢獻，但巨大的人力和資金投入與產出并不成正比。由于投入產出比極不平衡，不少藥企在新抗生素的研發上已經停止投入過多精力，這也導致了抗生素產品線的逐漸枯竭。與此同時，耐藥菌株增多的趨勢依然勢不可擋。 ? ? ? ?通常，如果一種細菌攜帶多種抗生素的耐藥基因，我們就稱其為多藥耐藥菌（Multidrug-resistant bacteria），或“超級細菌(Superbug)”。自1960年代以來，人們陸續發現了多種“超級細菌”。除了被稱為”ESKAPE”的六大常見多藥耐藥菌之外（E: 糞腸球菌，S:?金黃色葡萄球菌，K:肺炎克雷伯菌,A:鮑曼不動桿菌P:銅綠假單胞菌E:腸桿菌屬），諸如多藥耐藥的念珠菌屬（Candida），艱難梭菌（Clostridioides difficile），淋球菌（Neisseria gonorrhoeae），肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae），沙門氏菌屬（Salmonella），結核桿菌（Mycobacterium tuberculosis）等，也在逐漸造成越來越嚴重的威脅。據美國疾病控制和預防中心2019年估計，僅在美國，每年就有超過 280 萬例耐藥細菌感染，導致 35,000 多人死亡。在美國，社區相關的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）感染每年會給社會帶來1.4-13.8億美元的負擔，而且這一數額還在不斷增加。 ? ? ? ?與此同時，隨著人們對于耐藥菌認識的不斷加深，一些條件致病的多藥耐藥菌所受的關注也在增加，例如耐甲氧西林表皮葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus epidermidis，MRSE）。由于其廣泛分布于人體皮膚表面，曾一度被認為是一種普通的共生菌。相較于分泌細菌外毒素較強的MRSA來說，其毒力較弱，難以引起正常人的系統性感染。然而，正是由于MRSE 的廣泛分布，使得其增加了對人體的感染機會。另外形成生物膜（由細菌分泌的生物大分子及活細菌構成的厚毯狀細菌群體，內含蛋白質、多糖、DNA等）的能力也使得MRSE能夠定植于導管表面，從而造成反復且難以處理的院內感染，尤其是在免疫功能低下的患者中。在 2015-2017 年的一項調查中，MRSE被歸類為成人血流感染以及成人手術部位感染病原體中的頭號細菌。 ? ? ? ?此外，由于MRSE可以頻繁地交換和積累耐藥基因而不會引起身體癥狀，它也作為潛在的耐藥基因庫來促進種內和種間的耐藥轉化，從而促使更多多藥耐藥菌株的產生。在過去的20 年中，新抗生素的開發停滯不前，而多藥耐藥細菌層出不窮。人們迫切需要尋求新的方法來擴大針對 MRSE、MRSA 和其他多藥耐藥細菌的一線藥物，尋找包括抗多藥耐藥菌株在內的廣譜藥物和難以誘導耐藥性的藥物變得迫在眉睫。 ? ? ? ?在傳統抗生素工業的高通量篩選以及化學合成與修飾以外，納米抗菌材料，尤其是抗多藥耐藥菌的納米材料逐漸走入人們的視線。相較于傳統抗生素，納米抗菌材料的合成摒棄了大量繁瑣的合成與提純過程，僅需要對其進行簡單的修飾。其生物相容性也相對較好。另外相較于抗生素依賴特定靶點的問題，納米抗菌材料能夠多通路抗菌，使細菌不易對其產生耐藥性。以上這些都為治療耐藥細菌引起的感染性疾病提供了全新策略。抗耐藥菌納米材料一般可以簡單分為有機、無機和復合材料三大類別。有機抗耐藥菌納米材料的來源可以是天然動植物及其代謝產物，通過對其結構的化學修飾賦予其較好的抗耐藥菌效果；也可以來源于人工合成的高分子聚合物。 ? ? ? ?從蝦、蟹等水生節肢動物的外骨骼中提取并處理得到的殼聚糖（Chitosan），作為天然獲取的正電有機高分子材料，具有非常好的人體相容性和代謝性。它能夠與細菌表面負電荷吸引而破壞其膜結構，從而達到殺菌的目的。通過進一步在其側鏈引入一系列的抗菌基團（季銨基，胍基），修飾后的殼聚糖能夠擁有更強的抗耐藥菌效果。類似的修飾也被應用在棉纖維和紙漿纖維上。同樣是天然多糖，納米原纖化纖維素作為一類取材于天然植物纖維的納米材料，其比表面積大、生物相容性非常好。通過溫和的氧化處理，醛基化的納米原纖化纖維素作為傷口敷料，展現出對MRSA極好的殺傷效果。 ? ? ? ?人工合成的抗耐藥菌納米聚合物多種多樣，以超支化聚乙烯亞胺為例，這種帶正電的合成納米高分子能夠以細菌的細胞壁為目標，阻斷耐藥酶的作用，進而破壞MRSE耐藥性。與抗生素協同使用，超支化聚乙烯亞胺能夠敏化MRSE，進而增強已耐藥抗生素的殺傷效果。除了化學聚合而成的高分子抗耐藥菌納米材料，超分子自組裝納米材料，即通過一系列分子間作用力控制分子的聚集行為，使其在溶劑中組合成為納米網絡，在此過程中凝聚并抑制多藥耐藥細菌的增長，也是一種有效控制和殺滅耐藥菌的手段。 ? ? ? ?無機抗耐藥菌納米材料主要包括碳基、硅基和金屬基抗耐藥菌材料。其中各類金屬鈉米顆粒及金屬化合物顆粒組成了對抗多藥耐藥菌感染的有效力量。銀作為一種具有抗菌效果的金屬，以其為原料制成的器皿和餐具自古以來就一直被人們使用。制成銀納米顆粒后，由于比表面積增大，銀具有了更強大的抗菌效果，協同使用后，銀納米顆粒更是能夠成百上千倍的增強抗生素對多藥耐藥細菌的殺傷力。但是銀離子對于人體的毒性一直是一個不可回避的問題。通過簡便的方法將納米尺度的銀納米顆粒同介孔硅材料進行結合，能夠在維持其抗菌濃度的前提下有效降低其對于人體細胞的毒性。另外將其與金或其他金屬制成合金納米顆粒，也能夠有效地提高其人體相容性。 ? ? ? ?金納米顆粒在1857年被發現，相較于銀來說，金具有較高的化學惰性以及生物相容性，因此其抗菌應用也更加廣泛。我們發現將抗生素的合成中間體與金納米顆粒進行結合，能夠增強其對耐對應抗生素的大腸桿菌的殺傷作用。金納米顆粒的神奇不僅僅局限于此，將抗菌活性較弱的氨基嘧啶衍生物修飾在金納米顆粒表面后，其展現出對于多藥耐藥革蘭氏陰性菌（大腸桿菌和銅綠假單胞菌）的高效殺滅效果。這種修飾了氨基嘧啶衍生物的金納米顆粒通過改變細菌表面正常生理電位，抑制ATP合酶活性，降低ATP水平，使得細菌的代謝水平整體下降。另一方面抑制核糖體亞基與tRNA結合，破壞其翻譯過程。這種多靶點作用使得金納米顆粒在有效對抗多藥耐藥細菌的同時不容易引起耐藥性的過度積累。通過和其他非抗菌小分子共修飾，這種雙配體的金納米顆粒更是對多種耐藥革蘭氏陰性和革蘭氏陽性菌都展現出抗菌效果。除了氨基嘧啶類小分子，氨基糖苷類小分子也能夠在偶聯金納米顆粒后展現出對于耐藥菌的殺滅效果。將其制成涂層或者通過紡絲的方式織成傷口敷料后，都能夠有效防止多藥耐藥細菌的黏附和后續生物膜的形成。 ? ? ? ?除了對于其表面配體類型進行改變，對于金納米顆粒的表面配體密度進行調節能夠使得金納米顆粒的抗菌譜在陽性耐藥菌和陰性耐藥菌之間轉換，可以用于治療復雜的復合型耐藥菌感染。另外對于金納米顆粒的核心進行其他貴金屬的摻雜也能增強其抗菌活性。通過調控摻雜比例，金-鉑、金-銠、金-釕合金構成的合金納米顆粒均對于多重耐藥的革蘭氏陰性菌展現出較高的抗菌活性。金納米顆粒的粒徑在幾到數百納米不等，因此對于其尺寸的調控也展現出與其抗耐藥菌活性極高的相關性。通過減小金納米顆粒的尺寸到小于2納米的范圍，金納米顆粒的抗菌譜和抗菌活性相較于尺寸稍大的金納米顆粒都有了明顯的提高。 ? ? ? ?通常我們將直徑小于2納米的金納米顆粒稱為金納米簇。在對抗多藥耐藥細菌的方面，金納米簇因其高穩定性、制備簡單和穩定的熒光而被廣泛研究。通過在其表面修飾長鏈季銨配體，這些帶有橙紅色熒光的金納米簇能夠有效破壞MRSA的細胞膜結構，進而治療MRSA引起的傷口感染。將其修飾在牙套表面后，其出色的抗菌能力能夠有效治療耐藥鏈球菌引起的口腔炎癥。特別地，由于其獨特的光熱效應，修飾了DNA酶的金納米簇能夠有效的破壞生物膜，進而產生廣譜的抗耐藥菌效果。 ? ? ? ?雙配體修飾的金納米簇能夠有機結合兩種配體的優勢。通過優化配體比例，金納米簇可以通過多種抗菌作用有效殺死多藥耐藥的革蘭氏陽性菌，包括誘導細菌聚集、破壞細菌膜完整性和電位以及產生活性氧。此外，將優化后金納米簇與一線抗生素相結合可以顯著逆轉耐藥，從而大大提高一線抗生素的療效，增強體外和皮膚感染動物模型對多藥耐藥菌的抗菌活性。此外，這些金納米簇的近紅外熒光可被用于監測其生物分布和體內清除效率。 ? ? ? ?以二硫化鉬為代表的二維納米金屬化合物抗菌材料，能夠響應光線的照射進而釋放出活性氧。這些活性氧基團作為高效的氧化劑，能夠與重要的生物大分子，例如膜蛋白以及DNA結合并損壞其結構。因此，這些二硫化鉬納米片能夠廣譜性地殺滅多重耐藥的大腸桿菌和MRSA。 ? ? ? ?將有機和無機的抗耐藥菌納米材料進行結合后，其性能能夠得到很大的提升。例如將納米晶體纖維素作為底物，在其表面合成銀納米顆粒，不僅可以用于葡萄糖的比色檢測，其對于多種耐藥的革蘭氏陽性和陰性菌也表現出極高的抗菌作用。將氨基嘧啶衍生物負載的金納米顆粒同細菌纖維素相結合，得到的抗菌輔料不僅能保持金納米顆粒優良的抗耐藥菌效果，其物理化學性質，包括吸水能力、機械應變和生物相容性都得到了極大的提升。隨著抗生素危機的逐漸來臨，這些新興的抗耐藥菌納米材料為我們對抗日益增長的多藥耐藥細菌種類以及越來越普遍的耐藥細菌感染構筑了新的防線。我們設想這些抗多藥耐藥菌納米材料能夠在不遠的未來脫離實驗室進入到醫院、學校、工廠等生活的方方面面，為人類的健康助力。 拓展閱讀：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2021/sc/D1SC03056F 本文作者：龐澤陽 微流控-納米生物實驗室
