【抑菌神器】|| 柔性离子液体衍生物在抗菌性能上究竟有何奇妙之处？！

原文标题：

Molecular Sizes and Antibacterial Performance Relationships of Flexible Ionic Liquid Derivatives中文翻译：柔性离子液体衍生物的分子尺寸及其抗菌性能关系原文作者：

Liang Zheng, et al.

期刊来源：

Journal of the American Chemical Society

影响因子：

IF=14.6

原文链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.0c10771

背景介绍

细菌感染是全球最大的公共卫生挑战之一，已导致全球数百万人死亡。特别是革兰氏阴性菌引起的感染疾病极难治愈，每年困扰着数百万人。然而，新抗生素的开发未能跟上抗生素耐药性细菌的爆发。

近年来研究阳离子制剂显示出巨大的广谱抗菌活性潜力。一些抗菌剂被证明具有尺寸依赖性抗菌活性，因此阳离子小分子与细菌膜的关系需要进一步研究。

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该研究设计了一系列不同分子尺寸(1.95-4.2nm)的柔性荧光吡咯并吡咯二酮和咪挫类柔性荧光离子液体衍生物（Ionic Liquid Derivatives, ILDs）。
通过抗菌试验、荧光示踪、形态分析、分子生物学和分子动力学模拟，系统地研究了ILDs对大肠杆菌的抗菌性能。
结果发现分子尺寸相对较小的ILD-6可以穿透细菌膜，导致膜变薄和细胞失去活性。使用革兰氏阴性菌铜绿假单胞菌(PAO1)的相关抗菌实验进一步证实了所提出的ILDs的结构-抗菌活性关系。也证实了ILDs的抗菌机制和未来应用的潜力。
 研究结果

ILDs的合成及对大肠杆菌的抑菌活性通过三步反应设计合成了一系列不同分子尺寸的ILDs。并与大肠杆菌共培养，结果显示，ILD-6和ILD-12的抗菌活性优于其他ILD，而ILD-8的抑菌效果最差（图1a，b）。此外，ILD-6的灭菌率比ILD-12快。并且在所有抗菌实验结果表明，ILDs具有分子尺寸偏好性的抗菌性能。
图1 ILD的合成及其在PBS中对大肠杆菌的抗菌活性
ILDs对大肠杆菌细胞膜的损伤在ILD浓度为128 μmol· L⁻¹条件下膜损伤试验的SEM和AFM图像显示，经ILD-6、ILD-10和ILD-12处理的菌体形态发生了塌陷和融合（图2），说明菌膜受到了破坏。
相反，用ILD-3和ILD-8处理的细菌的形态保持完整和光滑。透射电镜图像进一步证实了用ILD-3和ILD-8处理的细菌中存在明显且未受损的膜结构。
通过细胞膜完整性检测进一步研究了细菌膜的破坏情况(图2b)。因此，ILDs的抗菌活性与其破坏细菌细胞膜的能力有关。
图2
细菌中ILDs的荧光定位利用荧光成像观察了ILDs在大肠杆菌中的定位。结果发现大肠杆菌ATCC25922和大肠杆菌K-12 MG1655的荧光图像没有明显差异(图3a和图4)，说明ILDs与细菌膜的相互作用不受LPS的影响。
另外，ILD-3和ILD-6的红色荧光出现在细菌内部，说明ILD-3和ILD-6能够通过细胞膜进入细菌细胞质。而ILD-8、ILD-10和ILD-12仅在细菌周围出现红色荧光，说明它们主要插入细菌细胞膜（图4）。
选择ILD-6和ILD-8进行细菌层析成像和三维（3D）重建(图3b)。进一步证实了ILD-6和ILD-8的位置。
图3
图4
通过ILDs在L929和RAW 264.7细胞中的膜定位，探讨ILDs与真核细胞之间的相互作用(图5和图6)。结果发现所有ILDs均能进入细胞质。此外，ILD-3和ILD-6可以进入细胞核。这些不同的膜定位结果可能是真核细胞与革兰氏阴性菌膜结构差异造成的。这些结果进一步证明了ILDs对革兰氏阴性菌有特异的膜相互作用，而对真核细胞没有作用。
图5
图6
ILDs在体内外抗PAO1的概念验证研究中PAO1也被用于评估抗菌活性、膜损伤和荧光定位。如图7a、图8、图9所示，ILD-8对菌膜完整性影响不明显，抗菌能力最低。
其中ILD-6和ILD-12抗菌能力最强。ILD-3能进入细菌细胞质，但不破坏细胞膜。ILD10对细菌细胞膜有一定的破坏作用，但不能进入细菌细胞质。这些结果进一步说明ILDs的分子大小依赖性抗菌机制适用于革兰氏阴性菌。
研究还建立动物实验模型，图7b中具有代表性的伤口照片显示，ILD-6和ILD-12处理的感染伤口的恢复能力与未PAO1感染的对照伤口相似。经ILD-8处理的感染创面出现化脓，说明ILD-8不能有效抑制创面感染。
为进一步评价ILDs的治疗效果，采用激光多普勒血流仪测量创面愈合过程中创面下皮肤血流情况。如图7c所示，ILD-6和ILD-12处理的感染创面比ILD8有更好的血流，说明ILD-6和ILD-12的治疗效果更好。
图7
图8
图9
总 结
本研究设计了一系列不同分子尺寸的柔性荧光离子液体衍生物(ILDs)，研究了其对革兰氏阴性菌的抗菌作用机制。通过抗菌试验、荧光示踪、形态观察、分子生物学和分子动力学模拟，成功地研究了分子大小与抗菌活性之间的关系。本研究在ILDs对革兰氏阴性菌的结构-抑菌活性关系中为新一代先进抗菌剂的合理设计提供了有意义的参考信息。

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