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革蘭氏陰性細(xì)菌通常具有兩層細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，其中，外膜（OM）是一種不對稱結(jié)構(gòu)，其由脂多糖（LPS）基細(xì)胞外小葉（extracellular leaflet）和內(nèi)磷脂小葉（phospholipid leaflet）組成。由于外膜屏障的存在，納米顆粒甚至大多數(shù)小分子都無法穿過外膜（OM）以在細(xì)菌內(nèi)進(jìn)行聚集，這大大限制了抗菌劑發(fā)揮殺菌作用。

針對這一問題，天津大學(xué)吳水林教授和河北工業(yè)大學(xué)劉想梅教授等人報告了一種普適抗菌策略，可使窄譜（只能有效殺死革蘭氏陽性細(xì)菌）的藤黃（Garcinia）納米顆粒也能高效清除革蘭氏陰性菌。在該策略中，通過微波作用可在細(xì)菌外膜上創(chuàng)造瞬時納米孔，從而誘導(dǎo)藥物進(jìn)入并殺死細(xì)菌。研究利用分子動力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)，闡釋了藤黃納米顆粒強(qiáng)大的抗大腸桿菌（革蘭氏陰性）作用歸因于藤黃納米顆粒自身和微波的協(xié)同作用。這項工作提出了使用中草藥納米顆粒和微波輔助方法作為有效殺菌策略，有望為治療革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌共感染炎癥提供新的思路。相關(guān)工作以“Microwave assisted antibacterial action of Garcinia nanoparticles on Gram-negative bacteria”為題發(fā)表在Nature Communications。

【文章要點(diǎn)】

一般來說，當(dāng)暴露在微波中時，材料上的偶極子會試圖與交變電場重新對齊，從而可能會導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)紊亂，同時能量以熱的形式通過極性分子摩擦行為損失耗散。這種微波熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)統(tǒng)稱為MV效應(yīng)。而對于OM來說，其組成成分LPS和磷脂酶均為代表性的極性分子。因此，基于MV效應(yīng)有望通過微波和OM之間的強(qiáng)相互作用來松動OM結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)藥物進(jìn)入。根據(jù)在大腸桿菌的外膜上進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，研究發(fā)現(xiàn)MV效應(yīng)可導(dǎo)致OM結(jié)構(gòu)的逐漸松動和解離，以及OM組分分子鏈的自聚集，從而在OM結(jié)構(gòu)上形成了直徑約為5納米的納米孔 ，最終有助于納米藥物的胞內(nèi)遞送（圖1）。

圖1 藤黃納米顆粒在微波/無微波輔助下的抗菌性能

以藤黃納米顆粒作為模型抗菌劑，研究發(fā)現(xiàn)由微波產(chǎn)生的外膜納米孔可誘導(dǎo)藤黃納米顆粒滲透細(xì)菌。穿過外膜后，藤黃納米顆?？蓪?nèi)膜進(jìn)行去極化，并與MV熱效應(yīng)協(xié)同導(dǎo)致細(xì)菌胞內(nèi)物質(zhì)的泄露，最終造成大腸桿菌死亡（圖2）。在體外實(shí)驗(yàn)中，15分鐘微波輻照可使藤黃納米顆粒對大腸桿菌的抗菌效率從6.73%提升到99.48%。而在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，微波輔助的藤黃納米顆?？捎行е委熜∈蠹?xì)菌性肺炎。

圖2 藤黃納米顆粒與微波協(xié)同殺傷大腸桿菌