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香港科技大学唐本忠院士与华南理工大学王迎军院士、任力教授合作:聚集诱导发光探针用于抗菌肽的作用机制研究

聚集诱导发光AIE 高分子科技 2021-04-03
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抗生素滥用导致的细菌耐药性已成为当今社会面临的严重威胁,因此亟需发展新型抗菌试剂。相较于抗生素,抗菌肽具有高杀菌活性、广谱抗菌性、不易产生耐药性等优点,是当前抗菌领域的研究前沿和热点。尽管已有多种抗菌肽被报道,但其作用机制尚不完全明确,部分原因是由于SEM、TEM、AFM等常规观测手段,仅能提供抗菌肽与细菌结合后的静态信息,难以揭示抗菌肽与细菌结合的动态过程。


相对于上述静态成像技术,荧光成像具有成本低、易于操作、可实时原位观测等优点。由于抗菌肽在杀灭细菌时,通常需要高浓度聚集于细菌的表面或内部,而传统荧光染料存在聚集猝灭发光(ACQ)的缺陷,难以用于抗菌肽的作用机制研究。此外,传统荧光染料光稳定性差,难以长期实时监测抗菌肽与细菌的结合过程。因此,发展能够克服ACQ缺陷,且简便易得、光稳定性好的荧光探针,实时原位监测抗菌肽与细菌的结合过程,对揭示抗菌肽的作用机制具有重要意义。


聚集诱导发光(AIE)材料具有聚集态发光效率高、斯托克位移大、生物相容性好、抗光漂白能力强等优点。近日,香港科技大学唐本忠院士团队与华南理工大学王迎军院士团队合作,通过在抗菌肽HHC36(KRWWKWWRR)上修饰AIE分子2-(2-羟基苯基)苯并噻唑(HBT),制备了AIE探针AMP-2HBT(图1),不仅保持了HHC36多肽的抗菌活性,而且由于其在稀溶液中发光很弱,可通过荧光“点亮”的方式,实时观测抗菌肽与细菌的结合过程,进一步通过STORM超分辨荧光成像、SEM和TEM成像,有效揭示了抗菌肽HHC36通过破坏细菌膜的结构从而杀灭细菌的机制。


图1 AIE探针AMP-2HBT的分子结构及其与细菌结合后点亮荧光并杀灭细菌的过程示意图。


通过比较抗菌肽HHC36与探针AMP-2HBT的杀菌效率,发现在HHC36多肽上修饰HBT分子,并未影响其杀菌活性(图2)。例如,在10,20,50,100 μM浓度时,HHC36多肽和AMP-2HBT探针对大肠杆菌的杀灭效率分别为84.25,94.64,99.68,99.84%和87.56,94.33,99.53,99.95%。进一步研究发现,AMP-2HBT探针可迅速抑制细菌的活性,当将20 μM探针加入至细菌溶液(107 CFU mL–1)中时,所有细菌在2 min内即停止运动。


图2 (A) 不同浓度HHC36多肽及AMP-2HBT探针对大肠杆菌的杀菌效率;(B) 加入AMP-2HBT探针后,大肠杆菌的运动活性随时间的变化。


探针AMP-2HBT具有典型的AIE性质,当其在稀溶液中时,由于分子内运动,荧光很弱;当其与细菌结合后,分子内运动受限,发出强荧光(图3A)。因此探针AMP-2HBT可用于细菌的免洗成像,实时监测抗菌肽与细菌的结合过程。进一步,基于荧光显微镜和流式细胞仪分析发现(图3B-F),随时间的延长,AMP-2HBT探针与细菌结合的数量逐渐增加,其荧光强度亦逐渐增加,在30,45,60 min时,探针结合至细菌后的平均荧光强度分别为15 min时的2.9,4.6,6倍。


图3 探针AMP-2HBT实时原位监测与细菌的结合过程:(A)探针AMP-2HBT和大肠杆菌自身,及与大肠杆菌结合后的荧光光谱;(B)–(E)不同时间下细菌的荧光照片;(F)不同时间下流式分析结果。


进一步,通过结合随机光学重建显微镜(STORM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析发现,荧光探针AMP-2HBT可有效结合至大肠杆菌的细菌膜上(图4),通过破坏细菌膜的结构,导致细菌内容物流出,从而有效杀死细菌。


图4 (A,B) AMP-2HBT结合至大肠杆菌后的STORM超分辨荧光照片;(C,D) 分别为AMP-2HBT与大肠杆菌结合前后的TEM照片;(E,F)分别为AMP-2HBT与大肠杆菌结合前后的SEM照片。


该工作通过在抗菌肽上修饰AIE分子,在不影响抗菌肽自身活性的前提下,可通过荧光成像实时动态观测抗菌肽与细菌的结合过程和作用方式,有效克服了传统荧光染料的聚集猝灭发光缺陷,为抗菌肽的机制研究提供了一种有效的研究工具。


这一研究成果近期发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上,文章的共同第一作者为华南理工大学陈军建博士、高蒙副研究员和王琳副研究员,本文的通讯作者为唐本忠院士王迎军院士任力教授


论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021%2Facsami.7b18221


来源:聚集诱导发光AIE

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