侯嘉欣　彭龍漩　楊得民　呂敏

摘要：近年來，新型納米抗菌材料因其特殊的理化性質(zhì)和作用機制，在抗菌膜方面展示了不容忽視的潛力.但是，如何提高這些抗菌劑穿透菌膜胞外聚合物基質(zhì)（EPS ）的能力，以達(dá)到低劑量、高療效的目的，仍是一個挑戰(zhàn).為了解決這個難題，通過一鍋法成功合成了一種帶正電、靶向菌膜中胞外脫氧核糖核酸（eDNA ）的沸石咪唑框架納米復(fù)合顆粒（ZIF-8@D）.研究發(fā)現(xiàn)， ZIF-8@D 能夠迅速穿透菌膜，并在菌膜內(nèi)部釋放脫氧核糖核酸酶 I （ DNase I ），DNase I 能水解菌膜中的 eDNA，以達(dá)到分散菌膜的目的.這項研究不僅為設(shè)計高穿透性的抗菌膜材料提供了新思路，而且拓展了沸石咪唑框架結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：細(xì)菌耐藥性；沸石咪唑框架；銅綠假單胞菌；菌膜

中圖分類號：Q 939? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1000-5137（2023）01-0053-07

Study on zeolitic imidazolate framework nanocomposites for biofilm eradication

HOU Jiaxin，PENG? Longxuan，YANG? Demin，LYU? Min*

（College of Chemistry and Materials Science，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）

Abstract：In recent years，novel antibacterial nanomaterials show a non-negligible potential in anti-biofilm due to their specific physiochemical properties and mechanism of action. However，it is still a challenge to improve the ability of these antibacterial agents to penetrate the extracellular polymeric matrix（ EPS ） of the biofilm to achieve the goal of high efficacy at low dose . To solve this problem，we adopted the one-pot method to successfully synthesize a zeolitic imidazolate framework nanocomposite with positive charge and targeting extracellular deoxyribonucleic acid（ eDNA ） in the biofilm（ZIF-8@D）. The results showed that ZIF-8@D nanoparticles could quickly penetrate the biofilm and release deoxyribonuclease（ DNase I ） inside the biofilm，which hydrolyzed the eDNA to disperse the biofilm. This work not only provides a new insight into designing anti-biofilm materials with high penetrability，and also expands the application of zeolite imidazole frameworks in biomedicine .

Key words：antimicrobial resistance；zeolitic imidazolate framework；Pseudomonas aeruginosa；biofilm

0 前言

專家預(yù)測到2050年，全球每年將有1000萬人死于細(xì)菌耐藥性.除了抗生素濫用導(dǎo)致細(xì)菌產(chǎn)生耐藥基因外，細(xì)菌自身形成群體結(jié)構(gòu)菌膜（biofilm）也是誘發(fā)細(xì)菌耐藥性的重要因素[1-2].研究表明，60%～70%的細(xì)菌感染與菌膜的形成有關(guān)，而菌膜誘發(fā)的細(xì)菌耐藥性與其自身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[3-4].菌膜是一種有別于浮游細(xì)菌的生存方式，它是細(xì)菌為適應(yīng)生存環(huán)境而吸附于材料表面，形成由細(xì)菌及其自身分泌的胞外聚合物基質(zhì)（EPS ）組成的群體結(jié)構(gòu)[5].EPS 是由胞外脫氧核糖核酸（eDNA ）、結(jié)構(gòu)蛋白、胞外多糖和脂質(zhì)等生物大分子通過纏結(jié)、靜電吸附等方式形成的類水凝膠結(jié)構(gòu)[6].eDNA 在細(xì)菌的黏附和菌膜的形成中起關(guān)鍵作用，成為當(dāng)前菌膜清除的重要靶點[7].大量報道證實，菌膜結(jié)構(gòu)可以有效阻礙環(huán)境不利因素（例如抗生素、機械力和滲透壓等）對其內(nèi)部細(xì)菌的直接傷害.臨床處理菌膜細(xì)菌所需的抗生素劑量是處理浮游細(xì)菌的10～1000倍[8-10].因此，如何提高抗菌劑穿透菌膜 EPS 結(jié)構(gòu)的能力，精準(zhǔn)靶向菌膜結(jié)構(gòu)組分，實現(xiàn)高效解決細(xì)菌菌膜感染，成為生物醫(yī)學(xué)和材料學(xué)交叉研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c.

近年來，金屬有機框架材料（MOF ）因其可控的粒徑、高比表面積、可調(diào)的孔徑和良好的生物相容性，在藥物遞送、生物成像和疾病治療等方面表現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景[11-14].沸石咪唑框架（ZIF-8）因具有多孔、高負(fù)載、低毒性，以及對 pH 敏感等特點，常作為藥物和生物大分子（蛋白質(zhì)、DNA 和酶等）的載體[15]，用于腫瘤和細(xì)菌感染等疾病的治療.例如，BAGCHI 等[16]利用藥物方酸（SQ）修飾的金屬有機框架 ZIF-8，增強光動力（PDT ）對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA ）和菌膜的療效；SU 等[17]開發(fā)了一種內(nèi)置伏立康唑的沸石咪唑框架（V-ZIF ），鋅離子（Zn2+）與伏立康唑的配位結(jié)合可減少伏立康唑的意外泄漏，實現(xiàn)了伏立康唑的零級釋放動力學(xué)，有助于穿透白色念珠菌菌膜，并殺死念珠菌.目前，ZIF-8在抗菌膜方面的應(yīng)用主要聚焦于運載抗生素進入菌膜，通過殺死細(xì)菌破壞菌膜.然而，精準(zhǔn)靶向菌膜結(jié)構(gòu)組分，通過物理或化學(xué)方法破壞生物大分子間的相互作用以實現(xiàn)菌膜清除的報道還較為少見.

因此，本研究選擇革蘭氏陰性菌銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa，PAO1）為模式生物構(gòu)建菌膜，以菌膜中的 eDNA為靶點構(gòu)建新型抗菌膜策略.銅綠假單胞菌是一種常見的條件致病菌，可感染人體的任何組織和部位，引起手術(shù)切口和燒傷組織感染、中耳炎[18]、角膜炎[19]、尿道炎[20]、肺炎[21]和心內(nèi)膜炎[22-23]等疾病，常被用于實驗室研究菌膜行為的模式生物.本研究設(shè)計了一種新型抗菌膜材料，即用 ZIF-8納米顆粒吸附脫氧核糖核酸酶 I（ DNase I ）形成沸石咪唑框架納米復(fù)合顆粒 ZIF-8@D.該材料與菌膜間存在靜電作用，能夠增強材料在菌膜中的穿透性，菌膜內(nèi)部酸性環(huán)境可以刺激 ZIF-8降解，釋放 DNase I 和 Zn2+. DNase I 能水解 eDNA 以破壞菌膜結(jié)構(gòu)和實現(xiàn) Zn2+抗菌，實現(xiàn)高效清除菌膜的目的.本研究為深入了解菌膜與抗菌劑之間的相互作用提供了理論指導(dǎo)，也為治療臨床中的菌膜感染提供了新策略.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

DNase I （脫氧核糖核酸酶 I 來源于牛胰腺）、結(jié)晶紫（CV ）購于 Sigma-Aldrich 公司；2-甲基咪唑、硝酸鋅六水合物（Zn （ NO3）2·6H2 O ）購于上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司；熒光染料 Alexa flour 647，SYTO 9購于 Invitrogen 公司；LB肉湯培養(yǎng)基、Agar 瓊脂粉購于生工生物工程（上海）股份有限公司；銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）購于中國普通微生物菌種保藏管理中心；超純水用Aquapro系統(tǒng)（電阻率為18 MΩ·cm）制備.

1.2 實驗儀器

場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM，Hitachi S-4800）；動態(tài)光散射（DLS）分析儀（Malvern Nano-ZS90）；紫外分光光度儀（Shimadzu UV-1800）；熒光分光光度儀（Hitachi F-7000）；酶標(biāo)儀（ThermoMultiskan MK3）；激光共聚焦顯微鏡（Leica TCS SP8）；pH計（MSC-100）；離心機（Eppendorf Centrifuge 5424 R）；超聲機（XM300UHP）；生化培養(yǎng)箱（LRH-70F）；X 射線衍射儀（XRD，BRUKER/AXS，D8 ADVANCE）；恒溫振蕩器（THZ-C-L ）.

1.3 實驗方法

1.3.1 ZIF-8@D 的合成

2-甲基咪唑（0.28 g）充分溶解于1 mL 水中，Zn （ NO3）2·6H2O （0.015 g）充分溶解于100μL 水中；兩者充分混勻后，室溫（25℃）靜置2 h；再向上述混合溶液中加入100μL DNase I 溶液（1.2 mg ·mL-1），充分混勻后室溫（25℃）靜置2 h；10000 r ·min-1離心10 min 得到 ZIF-8@D.

1.3.2 ZIF-8@D 的表征

FE-SEM 表征 ZIF-8和 ZIF-8@D 的形貌和粒徑大小.DLS 表征 ZIF-8和 ZIF-8@D 的 Zeta 電位；在8 d 內(nèi)測定 ZIF-8@D 水合粒徑，確定材料的穩(wěn)定性.XRD 表征 ZIF-8和 ZIF-8@D 的晶體結(jié)構(gòu).

1.4 細(xì)菌培養(yǎng)

從4℃保存的細(xì)菌平板挑取單菌落接種于3 mL LB 液體培養(yǎng)基中，37℃搖床（220 r ·min-1）振蕩培養(yǎng)過夜.收集菌懸液，10000 r ·min-1離心菌液1min，去除上清液，并用生理鹽水（NaCl，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%）重懸沉淀，用紫外分光光度計測定菌液在600 nm 處的光密度值（OD600），稀釋菌液濃度至109 CFU ·mL-1備用.

1.5? ZIF-8@D 抗菌膜性能測定

1.5.1 菌膜生長

24孔板中加入濃度為107 CFU ·mL-1細(xì)菌懸液，37℃靜態(tài)生長24h.培養(yǎng)結(jié)束后，輕輕吸去上部菌液，并用1 mL 磷酸鹽緩沖液（PBS ）輕輕清洗孔板底部的菌膜.然后，每孔加入200μL 的不同材料（DNase I， ZIF-8和 ZIF-8@D），37℃共同孵育2 h.

1.5.2 CV 染色

菌膜與 ZIF-8@D 共孵育2h 后，吸去上清液，用1 mL PBS 輕輕沖洗菌膜1次并風(fēng)干.然后加入300μL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的CV 染色，染色15 min，吸去上清，PBS 輕輕洗滌3次.用數(shù)碼相機對菌膜進行拍照.最后，每孔加入1 mL 95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）乙醇洗脫15 min，酶標(biāo)儀測量細(xì)菌在595 nm 處的光密度值（OD595）.

1.5.3 激光共聚焦掃描顯微鏡（CLSM ）成像

紅色熒光染料 Alexa Fluor 647（10μmol·mL-1）與 ZIF-8@D 在300 r ·min-1振蕩結(jié)合2 h，ZIF-8@D 被標(biāo)記為紅色.

培養(yǎng)24 h 的菌膜，吸去上清液后，用1 mL PBS 輕輕清洗1次，每孔加入300μL SYTO 9（20μmol·mL-1，綠色熒光，標(biāo)記細(xì)菌）染色15 min.吸去上清，用 PBS 輕輕洗去殘留的 SYTO 9，再將200μL Alexa Fluor 647標(biāo)記過的 ZIF-8@D 加到每孔中，共孵育2h，吸去上清液，用1 mL PBS 輕輕沖洗菌膜1次.隨后用 CLSM 成像觀察.SYTO 9和 Alexa Fluor 647的激發(fā)光/發(fā)射光波長分別為480 nm/500 nm 和650 nm/666 nm.通過沿 Z 軸以0.1μm 間隔掃描菌膜獲取3D 圖像.

2 結(jié)果與討論

2.1? ZIF-8@D 的合成及表征

首先，采用水相合成的方法制備 ZIF-8[24]，然后利用 ZIF-8的多孔和吸附能力，簡單混合，將 DNase I 吸附到框架表面合成 ZIF-8@D，如圖1所示.

用 FE-SEM 觀察 ZIF-8和 ZIF-8@D 的形貌，如圖2（a）～2（d）所示，合成的 ZIF-8和 ZIF-8@D 為多面體結(jié)構(gòu).粒徑統(tǒng)計分析結(jié)果如圖2（e）～2（f）所示，ZIF-8的尺寸約為（59.1±11.7） nm，ZIF-8@D 尺寸約為（64.6±10.0） nm. DNase I 的分子質(zhì)量為32 ku，ZIF-8@D 直徑的增大歸因于 ZIF-8和 DNase I 的復(fù)合.

用 Zeta 電位分析測量 ZIF-8和 ZIF-8@D 的電勢，2種樣品電位分別為（37.4±0.7） mV和（36.2±4.2） mV，均帶正電荷，有利于材料與帶負(fù)電的菌膜相互作用.DNase I 的等電點為4.7，在中性溶液中帶負(fù)電，其吸附于 ZIF-8表面時，并不會導(dǎo)致顯著的電荷變化.用 XRD 分析 ZIF-8和 ZIF-8@D 的晶體結(jié)構(gòu)，如圖3所示，晶向指數(shù)符合文獻(xiàn)報道的 ZIF-8晶型，說明在合成過程中材料的結(jié)晶度未受損[25].此外，如圖4所示，該材料在8 d 時間內(nèi)的水合粒徑幾乎沒有變化，證明 ZIF-8@D 具有良好的水分散性和穩(wěn)定性.

2.2? ZIF-8@D 對菌膜結(jié)構(gòu)的清除效果

本研究致力于構(gòu)建一種具有良好穿透力和高效清除菌膜的抗菌膜材料.根據(jù)銅綠假單胞菌 PAO1菌膜生長動力學(xué)，選取培養(yǎng)24 h 后的成熟菌膜作為研究對象.預(yù)實驗結(jié)果顯示共孵育2 h 的效果較為合適，且此后延長時間均無顯著性差異，故將 ZIF-8@D 與成熟菌膜共孵育2 h，然后進行 CV 染色，分析菌膜生物量.如圖5（a）所示，DNase I，ZIF-8和 ZIF-8@D 都能夠破壞菌膜，破壞率分別為63.9%，69.3%和87.8%. DNase I 可以降解菌膜 eDNA，然后破壞菌膜的穩(wěn)定性[26].ZIF-8對菌膜造成破壞可能緣于其釋放的 Zn2+可以抗菌，細(xì)菌死亡導(dǎo)致菌膜結(jié)構(gòu)分解[27].與 DNase I 和 ZIF-8相比，ZIF-8@D 對成熟菌膜的高破壞率表明，DNase I 和 ZIF-8復(fù)合后產(chǎn)生了協(xié)同抗菌膜效應(yīng).

圖5（b）為用激光共聚焦顯微技術(shù)分析的ZIF-8@D 材料在菌膜中的穿透和分布情況（紅色熒光為 ZIF-8@D，綠色熒光為菌膜）.ZIF-8@D 穿透菌膜過程中，隨機選取一個區(qū)域，進行正交剖面觀察，攜帶紅色熒光的 ZIF-8@D 嵌入綠色菌膜中，表明 ZIF-8@D 能夠順利穿透菌膜.從如圖5（c）所示的菌膜3D 圖中觀察到黃色熒光，這說明 ZIF-8@D（紅色熒光）和菌膜細(xì)菌（綠色熒光）相互作用，證明 ZIF-8@D 穿透了表面 EPS 結(jié)構(gòu)自主進入菌膜內(nèi)部.其中的菌膜內(nèi)部黑色部分表示 ZIF-8@D 對菌膜進行了一定程度的破壞.對3D 熒光圖進行量化后，紅綠熒光的趨勢隨菌膜縱深保持一致，表明在菌膜不同深度的 ZIF-8@D 與菌膜嵌入結(jié)合的情況良好，如圖5（d）所示.

綜上，與其他復(fù)合材料所需的6 h 相比[28]，ZIF-8@D 能夠在更短的時間內(nèi)迅速穿透菌膜，并進入菌膜內(nèi)部，而其吸附的 DNase I 能夠水解菌膜 eDNA，達(dá)到分散菌膜的目的.

2.3? ZIF-8@D 對菌膜的作用機制

結(jié)合 ZIF-8@D 的理化性質(zhì)和對菌膜的作用效果，推測 ZIF-8@D 破壞成熟菌膜的機制包括以下幾個階段，如圖6所示：首先，帶負(fù)電的菌膜通過靜電相互作用將帶正電的 ZIF-8@D 運輸穿透 EPS[29]；同時， ZIF-8@D 的粒徑小于菌膜類凝膠的形成孔徑（500 nm），因此可以快速進入菌膜內(nèi)部[30]；接著，當(dāng)ZIF-8@D 材料進入菌膜后，響應(yīng)菌膜內(nèi)部的酸性環(huán)境裂解框架，釋放出 DNase I 和 Zn2+[27]；最后，DNase I 特異性識別底物，即菌膜中的 eDNA，并進行水解 eDNA，進而瓦解 EPS 結(jié)構(gòu)，達(dá)到分散菌膜的目的[26，31].

3 結(jié)論

抗菌劑難穿透細(xì)菌菌膜是阻礙其發(fā)揮高療效的重要原因.本研究通過簡單的一步合成法制備了穩(wěn)定性和分散性良好的新型納米復(fù)合顆粒 ZIF-8@D. ZIF-8@D 既保持了 DNase I 的催化活性，而且能夠攜帶酶快速穿透菌膜.進入菌膜后，ZIF-8@D 可響應(yīng)菌膜酸性環(huán)境，釋放 DNase I，水解 eDNA，分散菌膜，最終達(dá)到抗菌膜的功效.盡管 ZIF-8@D 可以在2 h 內(nèi)穿透并清除大約90%菌膜，但是剩余10%的菌膜依然具有生長為體積更大菌膜的潛在風(fēng)險和危害.因此，進一步提高 ZIF-8@D 分散能力和增強其殺死細(xì)菌能力是未來需要解決的問題.本研究不僅為清除菌膜提供了一種新型納米材料，也為解決細(xì)菌耐藥性問題提供了新思路.

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（責(zé)任編輯：郁慧，顧浩然）