Advanced Healthcare Materials: “1+1>2”——具有高效抗菌功能的新型蜂毒肽-石墨烯纳米复合结构设计

细菌耐药性甚至是超级细菌的出现,使得细菌感染再次成为威胁人类健康最严重的问题之一。据世界卫生组织统计,目前全球每年约有700,000人死于抗生素耐药性,而且这一情况将会变得日益严重。因此,采用全新的思路来开发新型抗菌药物已经变得迫在眉睫。抗菌肽是一类具有广谱抗菌活性的天然多肽,是生物体抵抗细菌感染的重要防线。与传统抗生素不同,抗菌肽通过直接破坏细菌膜的完整性来杀灭细菌;而细菌膜的结构和组分是细菌进化过程中最保守的部分之一,因此,抗菌肽具有低细菌耐药性。抗菌肽对细菌膜的活性具有明显的浓度依赖性。只有当多肽浓度高于一定的临界值,抗菌肽才能在膜上形成孔洞、使细菌胞内物质泄漏从而导致细菌死亡。这种高浓度的依赖性使得抗菌肽杀菌效率低、生物毒性大,极大的限制了其临床应用。另一方面,某些纳米材料也具有显著杀菌效果;尤其是,近期研究发现石墨烯(及氧化石墨烯)纳米片可通过切割细胞膜或抽离膜上的脂质分子来杀灭细菌。这一过程与抗菌肽的杀菌机制具有极大相似性。因此,天然抗菌肽和石墨烯纳米材料的有效结合为新型高效抗菌药物的开发提供了新的可能。

针对这一问题,苏州大学软凝聚态物理及交叉研究中心杨恺教授、元冰教授与南京大学马余强教授合作,利用分子模拟技术设计了一类蜂毒肽-石墨烯纳米复合结构,巧妙地通过复合结构设计来实现两者膜作用分子机制的耦合。模拟结果证明,复合结构中蜂毒肽与石墨烯之间的协同插入能够极大地降低多肽穿透细胞膜的能量势垒,从而提高其穿膜成孔效率、降低其临界作用浓度。以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为例的最低抑菌浓度实验证实了此类纳米复合结构增强的抗菌效果;与天然蜂毒肽相比,复合结构的抗菌活性具有20倍的增强。以单层囊泡为细菌膜模型的冷冻电镜和荧光实验进一步揭示了该复合结构与细胞膜的作用方式及膜作用活性增强机理。此外,研究发现,此类复合结构的抗菌活性不会受到石墨烯片的尺寸和层数、多肽的排列方式以及两者连接方式等因素的影响,这也为材料的实际制备提供了便捷。此类蜂毒肽-石墨烯纳米复合结构的设计为开发高效抗菌药物和解决细菌耐药性问题提供了一个新的思路。相关结果发表在Advanced Healthcare Materials( https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adhm.201801521)上。