「科研快报」氟化聚乙烯亚胺细菌膜的结构损伤和潜在消散增强抗菌

原创Shen GZ 抗菌科技圈

第一作者：王安之

通讯作者：丁小康，徐福建

通讯单位：北京化工大学

研究速览：

近期，北京化工大学的丁小康和徐福建教授等人在ACS Applied Materials & Interfaces 上发表了氟化的聚乙烯亚胺通过细菌膜的结构损伤和潜在消散来增强抗菌效力的研究工作。由于耐药细菌（如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、MRSA）的不断增加，“超级细菌”成为全球健康的巨大威胁。该文通过简单的开环反应合成了一系列具有不同氟烷基接枝度的氟烷基化聚乙烯亚胺（PEI-F），并首次证明氟烷基化PEI能够对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌实现抗菌。在氟烷基化聚合物中，PEI-F3.0 显示出最强的抗菌活性，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度（MIC）为64 μg mL-1。另外，该文发现PEI-F3.0能够在1分钟内杀死超过99.8%的金黄色葡萄球菌，并且氟烷基化 PEI 能够通过外膜（OM）和细胞质膜（CM）的结构损伤、CM 的潜在消散和细胞内活性氧（ROS）的产生来杀死细菌。体内抗菌试验表明，市售凡士林与6.25 wt%的PEI-F3.0 （VL/PEI-F3.0）混合能够有效根除细菌感染伤口模型上的MRSA感染并促进伤口愈合。该文证明了氟烷基化PEI为应对耐药性感染的主要挑战提供了一种有前景的策略。

要点分析：

要点一：

材料设计：该文受递送载体中的氟化聚合物的启发，利用环氧化物开环反应合成了氟烷基化PEI，并且利用氟烷基化PEI的强效抗菌活性和两亲性，将PEI-F3.0简单地混合到商业凡士林中，制备了一种抗菌凝胶，用于治疗MRSA引起的耐药性感染，并探索了凝胶对抗超级细菌威胁的抗菌机制和功能。

要点二：

抗菌性能：得益于氟烷基化PEI-F的强抗菌活性和两亲性，制备的PEI-F3.0抗菌凝胶表现出优异的杀菌性能。实验表明，用PEI-F3.0抗菌凝胶处理浓度为107 CFU/mL大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，能够在1分钟内杀死超过99.8%的细菌，可以有效地达到杀菌效果。

图文导读

图1：烷基化PEIs（PEI-H）和氟烷基化PEIs（PEI-F）的作用机制及其在体内治疗MASA感染伤口的应用示意图。

图2: 氟烷基化和烷基化PEIs在LB培养基中对（a）大肠杆菌和（b）金黄色葡萄球菌的MIC测定的抑菌活性氟烷基化和烷基化PEIs在琼脂平板上对（c）大肠杆菌和（d）金黄色葡萄球菌的MBC测定的抗菌活性。

图3: 浓度为64 μg m/L的PEI、PEI-F3.0和PEI-H3.1对（a）大肠杆菌和（b）金黄色葡萄球菌的时间杀伤动力学。

图4: 分别用 PEI、PEI-H3.1和PEI-F3.0处理后的（a）大肠杆菌和（b）金黄色葡萄球菌细胞的SEM图像。

图5: （a）外膜渗透试验，（b）细胞质膜（CM）去极化试验，（c）细胞质膜（CM）渗透试验，和（d）在PEI、PEI-H1.0、PEI-F1.1、PEI-H3.1和PEI-F3.0存在的大肠杆菌胞内ROS试验。

图6:（a）胞质膜（CM）去极化试验，（b）胞质膜（CM）渗透试验，和（c）金黄色葡萄球菌在PEI、PEI-H1.0、PEI-F1.1、PEI-H3.1和PEI-F3.0存在时的胞内ROS试验。

图7:（a）合并活/死染色的CLSM图像和（b）分别用盐水、原始凡士林（VL）、PEI混合凡士林、PEI-H3.1混合凡士林和PEI-F3.0混合凡士林处理的MRSA平板培养图像。（c）各培养板细菌计数。

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图8:（a）每组3只大鼠感染MRSA伤口的代表性照片。（b）伤口闭合分析归一化到第0天的原始伤口大小。（c）伤口部位感染组织细菌计数分析。（d）第10天对伤口部位的H&E染色切片进行组织学分析。

结论

该文通过简单的开环反应合成了一系列具有不同氟烷基接枝度的氟烷基化PEI，以应对耐药性感染。在合成的聚合物中，PEI-F3.0对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出最强的抗菌功效。 PEI-F3.0最重要的优点之一是能够快速杀灭金黄色葡萄球菌，适用于治疗急性和严重细菌感染的快速消毒。此外，该文已经证明，氟烷基化 PEI 能够通过增加外膜（OM）和细胞质膜（CM）的通透性、CM 的去极化和细胞内活性氧（ROS）的产生来杀死细菌。另外，氟烷基化PEI可以通过简单地与商业凡士林混合以获得用于治疗MRSA感染伤口的抗菌凝胶。氟烷基化的PEIs可能为对抗耐药感染铺平了一条新道路，并在临床转化中具有潜力。

全文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c12692

参考文献：Anzhi Wang, Shun Duan, Yang Hu, Xiaokang Ding,* and Fu-Jian Xu*. Fluorination of Polyethylenimines for Augmentation of Antibacterial Potency via Structural Damage and Potential Dissipation of Bacterial Membranes.

ACS Appl. Mater. Interfaces 2022,