Small:应用温敏(UCST)高分子支架可视化调控细菌聚集与定向清除

在细胞水平上,生物系统中的特异性识别和强亲和力控制着许多过程,例如细胞间通讯、病原体的入侵。许多细菌已经进化出特定的识别结构,例如与宿主细胞糖缀合物结合的菌毛,而大分子聚糖与细菌受体的这些强亲和力主要是多价相互作用的结果。控制细菌与基于糖聚合物的多价支架表面之间的识别对于进一步了解这些过程和制定抗感染策略至关重要。此外,炎症组织由于代谢率增加促使局部组织温度升高,可为多价支架与细菌结合的控制提供刺激。因此,设计出能够最佳模拟和适应细菌膜上受体动力学的热响应多价支架将能够干预由细菌引起的感染。

同时,可视化识别多价支架与细菌,包括由多价支架驱动的细菌聚集行为仍然是一个挑战,相对于传统的荧光基团,具有聚集诱导发光性质的荧光分子(AIEgens)由于其在聚集状态表现出较高的发射效率,因此更适合于直接可视化随温度变化的细菌聚集调控。

近期,华南理工大学贾永光王琳与南方医科大学崔忠凯合作,在前期工作基础上(Chem. Eng. J. 2022, 134354;Sci. China-Chem. 2021, 403;Biomacromolecules 2017, 2663),制备了一种AIE分子修饰的最高临界溶液温度(UCST)聚合物支架(PATC-GlcN),该聚合物支架可以作为一种人工细胞模拟物通过温度调控细菌聚集/解离,同时可视化整个细菌聚集/解离过程。这种人工细胞模拟物可以被细菌识别,细菌通常会与聚合物支架上的糖基化残基结合。该UCST聚合物支架PATC-GlcN是双嵌段共聚物,聚丙烯酰胺的第一个嵌段为UCST嵌段显示出典型的UCST转变和AIE行为,亲水性葡糖胺改性聚丙烯酰胺为第二个嵌段具有细菌靶向功能,该聚合物可通过使用可逆加成和断裂链转移(RAFT)聚合(图1)。PATC-GlcN能够组装成胶束状结构,含糖嵌段分布在壳上,疏水核心由AIE-UCST嵌段形成。通过改变温度,可以对特定细菌实现可视化下的聚集/解离过程的可逆调控。此外,该团队还研究了该多价支架负载光热剂(IR780)后,在近红外辐射下体外和体内对大肠杆菌ATCC8739的定向清除,其杀菌效率可以从40%提高到99%以上。华南理工大学贾永光副研究员、王琳研究员与南方医科大学崔忠凯教授为文章通讯作者。

1(A)PATC-GlcN的结构。(B)在近红外辐射下,改变温度后细菌的可逆聚集-解离和靶向杀灭细菌的示意图。

2PATC-GlcN聚合物的UCST和荧光性质。(A) PATC-GlcN悬浮液在400 nm处的透射率测量,浓度为2 mg mL-1,加热速率为0.5°C min-1,图片为PATC-GlcN悬浮液(2.0 mg mL-1)在37和55°C的状态;(B) PATC-GlcN悬浮液(2.0 mg mL−1)在37和55°C下的荧光强度和在紫外光(λ =365 nm)下拍摄的照片;(C) PATC-GlcN 悬浮液在37和55°C下的DLS尺寸分布和SEM图像(比例尺 = 200 nm)。

3(A) 利用CLSM研究在PATC-GlcN存在下,大肠杆菌 ATCC8739 和大肠杆菌 TOP10的细菌聚集研究;(B) 在PATC-GlcN存在下通过温度振荡对细菌聚集形成的可逆控制;(C) PATC-GlcN浓度对细菌聚集行为的影响;(D) 游离的氨基葡萄糖浓度对细菌聚集行为的影响(PATC-GlcN浓度为10 mg mL-1)。

4 (A) 红外热图像和 (B) 使用热成像系统获得的PBS、IR780、PATC/IR780、PATC-GlcN、PATC-GlcN/IR780悬浮液的相应温度变化曲线(聚合物和IR780浓度分别固定为100和10 µg mL-1);(C) 使用或不使用NIR辐射的IR780、PATC/IR780、PATC-GlcN、PATC-GlcN/IR780 处理的大肠杆菌ATCC8739的细菌活力(***p < 0.001);(D) 用IR780、PATC/IR780、PATC-GlcN、PATC-GlcN/IR780处理在NIR辐射下大肠杆菌 ATCC8739的SEM图像。

5(A) NIH3T3细胞在不同浓度PATC-GlcN存在下的活/死染色,活细胞染成绿色,死细胞染成红色;(B)` 用不同浓度的 PATC-GlcN处理24 h的NIH3T3细胞的细胞活力;(C) 各种浓度的PATC-GlcN与RBC细胞的溶血测定照片。PBS (+RBCs)和去离子水(+RBCs)分别用作阴性对照和阳性对照。

6PATC-GlcN/IR780的体内抗菌研究。(A) 大肠杆菌ATCC8739皮肤感染小鼠模型的实验方案示意图;(B) 从用PATC-GlcN、IR780、PATC-GlcN/IR780处理和未处理的对照组在NIR辐射下的感染皮肤稀释后匀浆培养的大肠杆菌ATCC8739菌落的细菌活力(***p < 0.001);(C) 在NIR 辐射下用PATC-GlcN、IR780、PATC-GlcN/IR780处理以及未经处理的对照(PBS 组作为空白)的大肠杆菌 ATCC8739 感染皮肤的H&E染色切片。

Upper Critical Solution Temperature Polyvalent Scaffolds Aggregate and Exterminate Bacteria

Kai-Feng Chen, Yiqing Zhang, Jiawei Lin, Jun-You Chen, Caihong Lin, Meng Gao, Yunhua Chen, Sa Liu, Lin Wang*, Zhong-Kai Cui*, Yong-Guang Jia*

Small

DOI: 10.1002/smll.202107374

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202107374