雖然92年前抗生素的發(fā)現(xiàn)使得人類在細(xì)菌面前變得強大，但是因為越來越多的人濫用抗生素，導(dǎo)致耐藥菌株不斷出現(xiàn)，其中，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）就是一大頑固的致病菌：例如心內(nèi)膜炎、軟組織和骨感染，為解決該問題，人們將目光放在人體最大的器官——皮膚上，因此，成功治療MRSA感染的組織傷口仍然非常重要。最近的研究表明，無機殺菌劑在水凝膠中的傳遞可以驅(qū)動傷口愈合過程，然而，這種方法由于外部光刺激、細(xì)胞毒性、不可降解性和復(fù)雜的制造工藝而變得復(fù)雜。
對此，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所王偉偉團隊、阜外醫(yī)院潘湘斌主任醫(yī)師和南開大學(xué)孔德領(lǐng)教授合作，利用兩親性的噁二唑基團修飾季銨鹽（QAS）-共軛聚己內(nèi)酯-聚乙二醇-聚己內(nèi)酯（PCEC-QAS）膠束納米抗菌劑的自發(fā)自聚集作用，制備了一種抗菌、可生物吸附的水凝膠。
該水凝膠適用溫度廣，在5~50℃呈穩(wěn)定的凝膠狀態(tài)，對革蘭氏陰性菌和陽性菌均有體外和體內(nèi)抗菌作用；此外，PCEC-QAS水凝膠可以促進細(xì)胞擴散、增殖和遷移，且無細(xì)胞毒性，在無藥物、細(xì)胞因子下即可促進創(chuàng)面修復(fù)，無需后處理，PCEC-QAS水凝膠自身被完全吸收。該成果以“Synthetic Polymeric ?Antibacterial Hydrogel for Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus-Infected Wound Healing: Nanoantimicrobial Self-Assembly, Drug and Cytokine-Free Strategy”為題于2020年9月18日發(fā)表在《ACS NANO》雜志
[PCEC-QAS納米抗菌劑的自組裝]
研究人員采用44-聚己內(nèi)酯-聚乙二醇-聚己內(nèi)酯（PCEC）促進抗菌水凝膠的轉(zhuǎn)化。以PEG和辛酸亞錫為引發(fā)劑和催化劑，通過ε-CL開環(huán)共聚合成了PCEC三嵌段共聚物。如圖1A所示，兩親性PCEC-QAS可在水中自組裝成膠束納米顆粒（NPs），其自組裝主要由PCL嵌段間的疏水相互作用所驅(qū)動，形成疏水膠束核；水溶性PEG片段和QAS基團在水溶液中作為納米顆粒外殼，并且隨著QAS含量的增加，表面zeta電位逐漸增加。上述結(jié)果表明，PCEC-QAS可以組裝成具有高度正表面電荷的納米顆粒，有利于與細(xì)菌細(xì)胞膜進行親和作用。
圖1 PCEC-QAS納米抗菌劑的自組裝與表征
[PCEC-QAS納米粒子自聚集形成不可逆水凝膠]
由于納米顆粒的物理堆積（圖2A），得到半固態(tài)水凝膠；圖2C展示了PCEC-QAS水凝膠內(nèi)的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種多孔結(jié)構(gòu)可以模擬組織中細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的三維結(jié)構(gòu)，有利于細(xì)胞的分布、遷移、增殖和受損組織的重建；除此之外，PCEC-QAS納米粒子形成的水凝膠具有不可逆性（圖2B），該不可逆性源于PCEC-QAS膠束納米粒子的穩(wěn)定聚集；PCEC-QAS-NPs之間的非共價相互作用（端羥基間氫鍵的形成、QAS基團中苯環(huán)之間的π-π堆積以及靜電相互作用）可以進一步增強不可逆性。因此，PCEC-QAS水凝膠便于實際應(yīng)用，且凝膠對溫度不敏感，可廣泛應(yīng)用于溫度低至4℃的低溫環(huán)境。
圖2 PCEC-QAS水凝膠的形成與表征
[PCEC-QAS水凝膠體外抗菌活性與細(xì)胞毒性]
對PCEC-QAS水凝膠進行抗菌能力檢測，圖3A顯示，PCEC-QAS水凝膠和FA乳膏（一種藥物）組中未觀察到菌落，而CS水凝膠組有菌落產(chǎn)生，因此，PCEC-QAS水凝膠對MRSA和大腸桿菌均具有抗菌作用；圖3B顯示處理后的細(xì)菌形態(tài)，未經(jīng)任何處理的MRSA和大腸桿菌分別呈球形和棒狀，細(xì)胞包膜光滑；而PCEC-QAS水凝膠或FA乳膏處理的細(xì)菌細(xì)胞膜和細(xì)胞壁均出現(xiàn)褶皺和扭曲，細(xì)胞嚴(yán)重受損。
圖3 PCEC-QAS水凝膠的體外抗菌活性
[PCEC-QAS水凝膠組織相容性]
水凝膠和傷口組織直接接觸，細(xì)胞相容性是關(guān)鍵。溶血試驗（圖4D）顯示PCEC-QAS的溶血率為2.23±0.13%，PCEC-QAS水凝膠良好的血液相容性可能是由于PCEC-QAS中與QAS相連的官能團為5-苯基-1,3,4-惡二唑-乙基，而不是通常誘導(dǎo)細(xì)胞毒性和溶血的長烷基鏈，后者具有很強的插入細(xì)胞膜的能力。此外，水凝膠中的多孔微結(jié)構(gòu)提供了一個三維的細(xì)胞外基質(zhì)模擬環(huán)境，利于細(xì)胞生長。然后，研究人員評估內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞在水凝膠上的遷移情況，圖4E，G顯示PCEC-QAS水凝膠改善了細(xì)胞的遷移，遷移率顯著提高，可能是由于多孔結(jié)構(gòu)為細(xì)胞分布提供了合適的環(huán)境以及有利于細(xì)胞粘附的陽離子特性所致。
圖4 PCEC-QAS水凝膠的體外細(xì)胞相容性和溶血作用
[PCEC-QAS水凝膠的體內(nèi)降解、全層皮膚缺損修復(fù)及抗菌性能研究]
水凝膠敷料的降解對體內(nèi)治療有重要意義。如果不可降解成分在傷口修復(fù)后仍存在于體內(nèi)，潛在的毒性和其他長期安全問題可能會限制抗菌水凝膠的應(yīng)用；如果水凝膠能在體內(nèi)完全降解，這些顧慮就可以消除，組織重建后不需要手術(shù)切除，有利于減輕患者的痛苦，降低醫(yī)療費用。圖5A、B所示，皮下給藥后，熒光信號衰減且強度降低，4周后完全消失，證明PECE-QAS水凝膠在體內(nèi)沒有引起明顯的局部或全身毒性。
建立大鼠全層皮膚缺損模型，PCEC-QAS水凝膠組的傷口閉合率（圖5D）在第4、8和12天分別為75％，90％和100％，表明8至12天，傷口幾乎完全閉合，證明PCEC-QAS水凝膠可作為傷口愈合的有效敷料。利用光學(xué)相干斷層掃描（OCT）進一步證明（圖5F），水凝膠組皮膚表皮和真皮與正常皮膚基本相同，皮膚缺損已完全愈合。
圖5?體內(nèi)水凝膠降解與傷口愈合
[PCEC-QAS抗菌水凝膠修復(fù)MRSA感染皮膚創(chuàng)面]
研究人員在被感染MRSA的大鼠背部進行實驗，圖6C顯示，PCEC-QAS水凝膠組和FA霜組的傷口閉合率分別接近100%和92%，而CS水凝膠治療組的傷口閉合率約為67%，12天后PCEC-QAS水凝膠組傷口完全恢復(fù)。
圖6 PCEC-QAS水凝膠促進MRSA感染大鼠全層創(chuàng)面愈合
[結(jié)論]
研究人員通過PCEC-QAS納米抗菌劑的自組裝，設(shè)計了一種無毒、完全可生物吸附的抗菌水凝膠，與目前報道的抗菌水凝膠相比，PCEC-QAS水凝膠是通過物理聚集形成，簡化了制備過程，有利于臨床應(yīng)用；且對溫度不敏感，易于涂抹以完全封閉傷口；其生物可降解性和無毒性保證在使用安全；12天內(nèi)加速MRSA感染皮膚傷口愈合也是其最大的亮點。
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