港中深唐本忠院士、深大王东教授/李杰副研究员 ACS Nano：双重选择性杀伤革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的领域新进展

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实现革兰氏阴性菌和阳性菌的选择性杀伤一直是治疗细菌感染领域的研究热点和难点。这是因为当前普遍用于治疗细菌感染的药物是广谱抗生素。它们在杀死特定致病菌的同时，还会无差别地杀伤其他细菌，从而细菌耐药性广泛产生，极大地削弱了抗生素的治疗效果，严重威胁着人们的生命健康。因此，开发能选择性杀伤革兰氏阴性菌和阳性菌的新型抗菌药物，能有效预防抗生素的滥用，减缓细菌耐药性的产生，对治疗细菌感染具有十分重要的意义。目前，这类药物大多只能做到对革兰氏阴性菌或阳性菌单一种类的选择性杀伤，国内外关于同时实现选择性杀伤这两类细菌的报道很少，而且，还没有工作系统地探究过实现双重选择性的杀菌机理。

 图1：类磷脂AIE分子结构和可能的选择性抗菌机理。

基于此，香港中文大学（深圳）唐本忠院士、深圳大学王东教授和李杰副研究员设计了一系列新型类磷脂结构的聚集诱导发光分子，成功实现了对革兰氏阴性菌和阳性菌的双重选择性杀伤，并深入探讨了其抗菌机理。该论文以“Phospholipid-Mimetic Aggregation-Induced Emission Luminogens for Specific Elimination of Gram-Positive and Gram-Negative Bacteria”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》上。作者以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为例，研究了这些AIE分子对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的杀菌效果。作者发现，带有短碳链的AIE分子能选择性杀伤阳性菌，而带有长碳链的AIE分子能选择性杀伤阴性菌。透射电镜和扫描电镜的结果表明，带有短碳链的AIE分子能选择性地破坏阳性菌的膜结构，而带有长碳链的AIE分子能选择性地破坏阴性菌的膜结构。

图2：AIE分子的光物理性质和选择性抗菌效果。

图3：AIE分子对细菌膜的选择性破坏情况。

作者还深入研究了这一双重选择性的抗菌机理。作者认为这是两类细菌外层膜结构差异和AIE分子的纳米尺寸效应共同影响的结果。他们发现AIE分子与细菌膜之间主要存在着两种相互作用，一是疏水作用，二是尺寸效应。这些AIE分子能在溶液中自组装形成不同尺寸的纳米颗粒，碳链越长，尺寸越大。当AIE分子在与阳性菌作用时，尺寸效应占主导。由于阳性菌外层肽聚糖层很厚（~80 nm），能阻挡大尺寸纳米颗粒进入到磷脂内膜，长碳链AIE分子形成的纳米颗粒被阻拦在肽聚糖层之外，少量附着在细菌膜表面，无法对磷脂内膜造成破坏，不具备杀伤阳性菌的能力；相反地，短碳链AIE分子形成的纳米颗粒尺寸小，能穿过肽聚糖层到达磷脂内膜，从而破坏膜结构，高效地杀死阳性菌。另一方面，AIE分子在与阴性菌作用时，疏水作用占主导。这是因为无论碳链长短，AIE分子都能接触到阴性菌最外层的磷脂外膜，当碳链越长时，疏水作用越强，结合到磷脂膜上的量也越多，从而，破坏膜的能力越显著。因而，长碳链的AIE分子能有效杀死阴性菌，而短碳链的AIE分子对阴性菌不具备抗菌能力。此外，考虑到这种外层膜结构差异普遍存在于革兰氏阴性菌和阳性菌细菌膜中，作者还考察了AIE分子对其他种类的革兰氏阴性菌和阳性菌的杀伤结果，也发现了类似的双重选择性抗菌结果，侧面论证了该作用机理的正确性。

最后，该论文还研究了这些AIE分子在小动物层次上对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的选择性抗菌效果。作者发现在小鼠伤口感染模型中，短碳链的AIE分子能选择性地清除金黄色葡萄球菌，长碳链的AIE分子能选择性地清除大肠杆菌，两者均具有优异的抗菌效果。

图4（左）：AIE分子在细菌中的分布情况。

图5（右）：在小鼠伤口模型中，探索AIE分子的选择性杀菌效果。

该论文不仅得到了高效地双重选择性杀伤革兰氏阴性菌和阳性菌的抗菌剂，还揭示了双重选择性的抗菌机理，为后续选择性抗菌剂的研发提供了理论支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.2c05821

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