越來越多的證據表明，細菌感染性疾病對人類健康構成巨大威脅，已成為人類死亡的主要原因。然而，抗生素的濫用以及在環境中的殘留導緻了耐藥菌的出現和流行。盡管科學家仍在開發新的抗生素，但開發速度遠遠落後于緻病微生物的突變速度。因此，迫切需要新的抗菌劑或治療策略來對抗這些高度耐藥的細菌。

新的抗菌策略

光熱治療（photothermal therapy，PTT）是一種基于光化學反應的微創技術，通過将光能（通常是近紅外光）轉化成熱能，從而殺死細菌（圖1）。其物理特性的治療機制使它在治療細菌感染時可以避免耐藥性的産生。同時因為近紅外光可以穿透到更深的組織中，因此該技術具有很高的體内應用前景。

PTT的核心是強光轉化效率納米材料的開發。光熱納米材料的研發是領域内被廣泛關注的熱點，材料涉及到貴金屬、半導體、碳納米材料和有機化合物等，它們均表現出非常好的光熱效果與殺菌效果。但是由于這些材料對細菌缺乏特異性，對它們的利用隻能停留在體外階段，因為光熱效果在殺菌的同時很容易對宿主細胞造成傷害。因此，研發一種具有特異性的光熱殺菌材料格外重要。

圖1 光熱殺菌示意圖（圖片來自Xu et al., Biomaterials Science, 2021.）

新的抗菌靶點

肽聚糖是細菌細胞壁的重要組成部分，為細菌生長提供了堅實的結構。它保護細胞免受外部環境和高内滲透壓的影響。如圖2所示，酰胺連接酶MurC，MurD，MurE和MurF催化非核糖體肽鍵的形成，以添加肽聚糖上肽的部分。這些酶是優秀的細菌靶點，因為他們對細菌的生存具有至關重要的功能，并且在所有醫學相關的細菌中都是保守的。MurD催化D型谷氨酸（D-Glu）與中間産物形成酰胺鍵。具有D型結構的氨基酸（D-Glu）僅在原核生物中代謝，而MurD對D-Glu表現出極高的特異性，D-Glu的衍生物常被用來設計MurD酶的抑制劑。然而，到目前為止幾乎沒有抗菌劑可以進入細菌并作用于MurD酶。因為細菌外壁非常密集，同時由于細菌的外排作用使這些抑制劑常常失效。

圖2 細菌肽聚糖的合成示意圖（圖片來自Kouidmi et al., Molecular Microbiology, 2014）

一種新型協同抗菌光熱碳點的研發

近日，中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所宋一之課題組聯合董文飛課題組以MurD酶為靶點，共同設計并開發了一種新型納米抗菌碳點BAPTCDs。設計原理如圖3所示，BAPTCDs由鄰苯二胺和D-Glu通過溶劑熱的方法合成，可以特異性結合細菌，并在激光照射下迅速升溫，破壞細菌細胞壁，殺死細菌。BAPTCDs具有非常好的光熱效果，如圖4 所示，它可以在激光照射下迅速升溫。BAPTCDs的升溫效果會随着材料濃度和激光功率的升高而升高，因此後期可以通過調節材料濃度和激光功率靈活調節升溫效果。BAPTCDs的D型結構使它本身可以通過侵入細菌細胞壁殺死細菌，達到80%以上的殺菌效率（圖5）。結合激光器照射産生的高溫，可以殺死96.33%的大腸杆菌和全部的金黃色葡萄球菌。結合碳點材料本身具有的穩定性高、熒光量子效率高、水溶性好和無毒等優點，使得該材料具有非常好的應用前景。

圖3 BAPTCDs合成和作用機理示意圖

圖4 BAPTCDs光熱效果圖（圖A為不同濃度BAPTCDs在808 nm激光器1.5 W/cm²功率照射下的升溫情況，圖B為200 μg/ml BAPTCDs溶液在不同激光功率下的溫度變化情況）

圖5 BAPTCDs在不同環境中的存活數量變化（從左到右分别為大腸杆菌ATCC 700926和金黃色葡萄球菌ATCC 29213在PBS、近紅外激光、BAPTCDs溶液和BAPTCDs與近紅外共同作用下的結果。圖A為标準平闆法結果，圖B和圖C為菌落數據統計結果。）

相關科研成果以 Design, synthesis, and application of carbon dots with synergistic antibacterial activity為題發表在Frontiers in Bioengineering and Biotechnology （JCR一區）上。

來源：中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所

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