妙啊！纳米材料也可做抗生素增敏剂，联合用药有效治疗耐药菌感染

研究背景

细菌耐药性一直是全球医学界共同关注的问题，日益严重的耐抗生素细菌引起的感染给社会带来了巨大的经济负担和医疗压力，并严重威胁到全球人类的生命安全。据统计，全球有超过200万人被耐抗生素细菌感染，作为对人类健康的三大威胁之一，其造成的发病率和死亡率甚至有望超过癌症的威胁。

虽然新的有效的抗生素能够解决传统抗生素逐渐变得低效等问题，但是开发新的抗生素往往需要10年以上的时间才能投入临床应用，而病原体产生耐药性所需的时间仅仅不到两周的时间。因此，为了解决耐药细菌感染治疗的迫切需求，需要开发新的策略以降低细菌耐药性，使其对常规抗生素重新敏感且不产生副作用，从而延长现有药物的使用寿命。

工作介绍

近日，湖北大学刘想梅和天津大学吴水林研究团队首次通过低温光热疗法（Photothermal therapies, PTT）抑制了细菌的耐药性，在45 ℃下使耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）对氨基糖苷类抗生素敏感，从而可以使用低剂量的抗生素杀灭MRSA。（注：一般光热治疗需要50 ℃以上的温度才能大量杀灭致病菌，45 ℃并不会通过PTT杀灭致病菌。）

1. 红磷纳米粒子（Red phosphorus -nanoparticles, RPNPs）作为一种新型光热纳米材料具有良好的生物安全性，因为磷是人体内的重要元素之一，RPNPs在体内可以被降解成生物相容的磷酸盐和磷酸氢离子，因此对人体的毒性较低。

2. 通过蛋白质组学技术和分子动力学（MD）模拟，证明经热处理后，MRSA表达的2-氨基糖苷磷酸转移酶（2-aminoglycoside- phosphotransferase, APH (2″)）的活性下降，减弱了MRSA对氨基糖苷类抗生素的分解能力并降低了MRSA对其的耐药性，从而使得该类抗生素能够有效杀灭MRSA。

注：细菌对抗生素产生耐药性的机制一般有三种：

1. 产生一种修饰酶。

2. 改变抗生素的靶点。

3. 改变细菌膜的通透性或者通过外排泵将抗生素排出体外。

该工作发表在Advanced Science上，IF=15.84。

研究思路

论文导读

Figure 1. RPNPs的制备过程和表征

制备的RPNPs具有良好的分散性，平均粒径为120 nm，通过EDS确定了纳米颗粒中的P元素的存在（Figure 1b）。相较于RP，合成的RPNPs在近红外区具有更强的紫外吸收，强吸光度是有利于其光热转化的能力（Figure 1e）。在808 nm激光照射下（1 W cm^-1），200 μg/mL的RPNPs可以在6 min内升到64.2 ℃，然而RP照射10 min仅能升到31.8 ℃（Figure 1f），这充分证明了RPNPs优异的光热转换能力，其光热转换效率可达35.5 %（Figure 1h）。不仅于此，RPNPs还具有优异的光热稳定性，三次循环之后其光热能力并没有明显变化（Figure 1g）。

Figure 2. 克服MRSA的耐药性研究

由于MRSA的耐多药特性，许多蛋白质参与耐药过程使抗生素无效，而降低这些蛋白质的活性可能削弱其耐药行为。低温PTT治疗（45 °C）被用于抑制MRSA的耐药能力，使其对一些抗生素重新敏感。与RPNPs低温PTT相结合，1xMIC的硫酸庆大霉素（Gen）可以明显抑制MRSA的生长，而单独的Gen和RPNPs并不会抑制MRSA（Figure 2a）。4xMIC的Gen在和PTT结合后其对MRSA生长的抑制效果甚至要远远强于单独使用高浓度Gen的抑菌效果，这将有效避免副作用的产生，因为无需使用大量的抗生素进行治疗（Figure 2b）。其他的氨基糖苷类抗生素同样具有相似效果（Figure 2c），这表明PTT治疗可能特异性地使MRSA对氨基糖苷类抗生素的耐药性失效，并在体外增强其治疗效果，因此，探讨了该现象的机理。

治疗后MRSA细胞膜的通透性并没有改变，也没有蛋白质的泄露（Figure 2d-e），且在PTT之前抗生素靶点已经形成，因此，PTT可能是通过影响了MRSA中修饰酶的表达从而使得MRSA对氨基糖苷类抗生素耐药性下降。通过蛋白组学分析，经PTT处理后有50个蛋白上调和55个蛋白下调，参与细菌感染途径的11种蛋白质下调，进一步表明原本低效的抗生素再次变得有效（Figure 2f-g）。两种氨基糖苷修饰酶的表达均有下降，即氨基糖苷核苷酸转移酶(Aminoglycoside nucleotidyltransferase, ANT(9)-Ia)和APH(2″)。其中APH (2″)可以磷酸化Gen从而导致其失活，经研究发现，APH (2″)的活性会受到温度影响，升温后其活性会明显下降（Figure 2h）。

Figure 3. 通过分子模拟研究低温对APH (2″)的影响

采用MD模拟分析APH(2″)的构象变化用于研究APH(2″)热处理后的失活机制，并在37 °C和48 °C条件下考察了APH(2″)和Gen的相互作用。经低温处理后，蛋白质的主干随时间波动较大，且不稳定，其氨基酸残基也表现出明显的波动（Figure 3a-b）。此外，APH(2″)在48 ℃时的旋回半径较37 ℃时明显增大，说明温度越高，其构象越松散，这可能会降低其稳定性和催化活性，在蛋白构象图中也可以观察到较松散的结构（Figure 3c-d）。其中，天冬氨酸（ASP）残基参与了对Gen的脱质子化并能增强其亲核性。热处理能够明显抑制ASP残基的催化性，增加ASP残基的氧与Gen的2^〃-羟基之间的距离，ASP残基与ILE-224残基形成氢键能进一步降低其催化能力（Figure 3e-f）。

Figure 4.小鼠伤口细菌感染的治疗

RPNPs和Gen具有良好的生物相容性，并不会对正常细胞（NIH-3T3）产生明显的毒性，且具有较低的溶血率（Figure 4a-b）。以MRSA伤口感染小鼠为模型，研究联合治疗的体内抗菌能力，将小鼠伤口组织磨碎稀释后涂在琼脂平板上，经联合治疗的伤口处的细菌数量明显下降，与对照组相差近100倍，充分表明了在体内安全的光热效应（45 °C）可以使MRSA对Gen的治疗敏感，抑制MRSA的生长（Figure 4c-d）。采用H&E染色和革兰氏染色评估伤口的炎症反应，联合治疗RPNPs-Gen组炎症较轻，炎症细胞较少，革兰氏染色中的细菌也明显减少，在10天的时候伤口几乎闭合，而对照组仍未恢复（Figure 4e-f）。

论文亮点

1. RPNPs具有优异的生物相容性和光热特性。

2. 低温光热可以降低MRSA中APH(2″)的活性，降低其对Gen的磷酸化，特异性减弱 MRSA对氨基糖苷类抗生素的耐药性，使其能够重新对该类抗生素敏感。

3. 该研究能够缓解临床上对新的抗生素需求的压力，通过使用低剂量的传统抗生素杀灭耐药菌，减少副作用。

文献链接

Lei Tan, Ziao Zhou, Xiangmei Liu,* Jun Li, Yufeng Zheng, Zhenduo Cui, Xianjin Yang, Yanqin Liang, Zhaoyang Li, Xiaobo Feng, Shengli Zhu, Kelvin Wai Kwok Yeung, Cao Yang, Xianbao Wang, and Shuilin Wu*

Overcoming Multidrug-Resistant MRSA Using Conventional Aminoglycoside Antibiotics, Adv. Sci. 2020, 7, 1902070. DOI: 10.1002/advs.201902070.

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