光動(dòng)力療法(PDT)在治療細(xì)菌引起的生物膜感染方面具有巨大的應(yīng)用潛力。但是革蘭氏陰性菌的外膜和帶高負(fù)電荷的脂質(zhì)部分阻礙了光敏劑與細(xì)菌的有效結(jié)合，這導(dǎo)致了PDT對(duì)革蘭氏陰性菌的殺傷效率不高。現(xiàn)有的解決方法是將PS與陽(yáng)離子聚合物或陽(yáng)離子抗菌肽相結(jié)合。陽(yáng)離子光活性納米粒子(NPs)通過(guò)與的細(xì)菌結(jié)合，不僅可以提高革蘭氏陰性菌對(duì)PDT的敏感性，還可以增強(qiáng)生物膜滲透和根除。然而，帶正電荷的納米顆粒對(duì)正常的哺乳動(dòng)物細(xì)胞存在潛在毒性。

針對(duì)正電荷納米顆粒存在的潛在毒性，徐福建教授團(tuán)隊(duì)引入了pH響應(yīng)的概念,如圖1所示，以電荷逆轉(zhuǎn)為策略設(shè)計(jì)了具有低細(xì)胞毒性和高抗菌活性的功能適應(yīng)性納米顆粒RB@PMB@GA NPs。RB@PMB@GA NPs在生理?xiàng)l件下（pH 7.4）是負(fù)電性的，減少了細(xì)胞內(nèi)吞，對(duì)正常細(xì)胞的毒性最小。由于細(xì)菌代謝物的存在，感染部位通常是酸性微環(huán)境，pH范圍為5.0 - 6.5。RB@PMB@GA NPs在酸性相關(guān)感染部位由于質(zhì)子作用使得葡萄糖酸（GA）脫落，轉(zhuǎn)換為正電性的納米顆粒RB@PMB NPs，可以有效地結(jié)合到帶負(fù)電的細(xì)菌表面，從而增強(qiáng)了對(duì)革蘭氏陰性菌的光動(dòng)力抗菌作用。

圖1. 用于增強(qiáng)生物膜滲透和抗菌效率的光動(dòng)力納米顆粒的制備過(guò)程示意圖。

本研究首先選擇了革蘭氏陰性菌（大腸桿菌，紅色）和革蘭氏陽(yáng)性菌（金黃色葡萄球菌，黃色）來(lái)測(cè)試RB@PMB@GA NPs的光動(dòng)力抗菌能力。圖2的結(jié)果表明，相對(duì)于革蘭氏陽(yáng)性菌，革蘭氏陰性菌比PDT更不敏感。但是在酸性環(huán)境下，RB@PMB@GA NPs 的電荷反轉(zhuǎn)能力提高了它們對(duì)革蘭氏陰性菌的功效。

圖2. RB@PMB@GA NPs在pH 7.4和pH 5.0條件下對(duì)大腸桿菌和的金黃色葡萄球菌的抗菌測(cè)試。

此外，本研究進(jìn)一步檢測(cè)了RB@PMB@GA NPs對(duì)生物膜的滲透殺傷性能。如圖3所示，在7.4和5.0的pH值下RB@PMB NPs能有效滲透到生物膜內(nèi)。然而，在pH 7.4的生物膜中僅檢測(cè)到 RB@PMB@GA NPs 的非常微弱的紅色熒光，在pH 5.0時(shí)RB@PMB@GA NPs能滲透到生物膜底部。因?yàn)?RB@PMB@GA NPs在酸性微環(huán)境脫落GA帶正電，與帶負(fù)電細(xì)菌表面發(fā)生靜電相互作用而迅速滲入生物膜并根除生物膜。這些結(jié)果也通過(guò)在體內(nèi)小鼠模型中植入導(dǎo)管得到了證明，這為消除醫(yī)療器械上的生物膜提供了一種很有前景的方法。

圖3. 在不同pH值下用RB@PMB和RB@PMB@GA NPs處理的銅綠假單胞菌生物膜的CLSM圖像。

最后，該團(tuán)隊(duì)選擇植入的導(dǎo)管小鼠模型來(lái)證明RB@PMB@GA NPs在體內(nèi)感染微環(huán)境激活的光動(dòng)力抗菌效率。圖4結(jié)果證實(shí)了RB@PMB@GA NPs光照情況下在體內(nèi)具有良好的生物膜消除能力。

圖4. a)第1、3和7天不同處理下小鼠的切口區(qū)域和植入導(dǎo)管的典型照片。b)從組織和導(dǎo)管中獲得的細(xì)菌菌落的定量分析。

以上相關(guān)成果發(fā)表在Adv. Funct. Mater.2021, 2103591。論文的第一作者為北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生吳雙梅，通訊作者為北京化工大學(xué)的徐福建教授和俞丙然教授，北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院王宇光副教授。

論文鏈接：

https://pericles.periclesprod.literatumonline.com/doi/full/10.1002/adfm.202103591

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