基于苯硼酸衍生物修饰金纳米颗粒的抗菌研究及应用

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nyxjm2008
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细菌感染对人类健康和生命构成严重威胁。抗生素的发现有效地控制了细菌感染疾病的发展,并大幅降低了感染性疾病的死亡率。随着抗生素不规范使用和滥用现象的加剧,临床细菌耐药问题日趋严重。尽管研究者投入了大量的精力对小分子库和常规的天然药物进行了筛选,但是,发现具有新作用方式的抗生素仍是一项艰巨的科学挑战。因此,加快新型抗生素的研发速度,探索一种不易产生细菌耐药性的抗菌策略迫在眉睫。在现有抗菌纳米材料中,金纳米材料具有制备高效、尺寸可控、细胞毒性低以及生物安全性好的优势。细菌细胞壁的主要成分为多糖,受硼酸基团易与多糖结合性质的启发,本论文设计了基于苯硼酸及其衍生物修饰的金纳米颗粒,提高材料对细菌的靶向识别并对其抗菌性能及体内外安全性进行了评估。具体研究内容包括:本论文选用苯硼酸及其衍生物作为配体,采用硼氢化钠还原法成功制备了一系列尺寸均一且能够稳定保存的金纳米颗粒。通过调控氯金酸与配体的摩尔比、反应时间、反应温度和搅拌速度进行合成优化。采用微量稀释法考察了制备的金纳米颗粒的抗菌性能,研究表明巯基苯硼酸修饰的金纳米颗粒对革兰氏阳性细菌中的金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度为6μg/m L;而氨基苯硼酸修饰的金纳米颗粒对革兰氏阴性细菌中的大肠杆菌的最低抑菌浓度为2μg/m L;共同修饰的金纳米颗粒则表现出广谱抗菌效果,且对耐药菌效果优于抗生素。电子显微镜用以观察金纳米颗粒在细菌表面的富集以及细胞外膜结构的变化情况,研究表明金纳米颗粒通过暴露在外表面硼酸基团与细菌表面多糖结合,进而改变细菌细胞膜通透性导致内部物质泄漏引起的细菌死亡。为了推进上述具有抗菌性能的金纳米颗粒的临床转化,本论文对该体系进行了体内外安全性评估。细胞增殖检测表明60μg/m L的抗菌金纳米颗粒对细胞的生长状态以及增殖数量没有任何影响。红细胞接触测试验验证了80μg/m L的抗菌金纳米颗粒不会引起溶血现象。金纳米颗粒的急性毒性以及体内代谢研究表明向小鼠体内注射不同体积(200、600和800μL)和不同浓度的金纳米颗粒,小鼠72小时内的存活情况良好、肝肾功能和免疫功能完备,且各个脏器均无明显病变情况。以上结果为后续体内感染实验的治疗研究提供了重要参考。本论文利用静电纺丝法制备负载金纳米颗粒的抗菌伤口敷料,并对其结构、性能及治疗效果进行了研究。机械性能测试表明所制备的敷料杨氏模量和断裂伸长率分别为49.8MPa和6.332%。抗菌纺丝纤维膜具有细胞外基质相似的多孔结构(纤维直径:500-600nm),有利于细胞的粘附和迁移。在此基础上,构建大鼠全真皮感染模型评价该伤口敷料的治疗效果,实验研究表明金纳米颗粒的掺入对抗多药耐药细菌感染的伤口表现出优异的杀菌作用,14天的伤口愈合面积比率达到98%以上,组织染色切片结果中可观察到重塑的毛囊和皮脂腺等皮肤附件的新生,表明静电纺丝法负载金纳米颗粒制备的敷料能够有效对抗细菌感染,促进伤口愈合与皮肤组织重构。针对致病菌种类繁多的腹腔感染疾病,本论文通过构建小鼠腹腔感染模型,探究了口服给药方式以及腹腔原位给药方式对该疾病的治疗效果。巯基苯硼酸与氨基苯硼酸共同修饰的广谱抗菌金纳米颗粒腹腔给药后,利用腹腔膜及网膜血管丰富和吸收面积大的优势,直接入血,6小时血药浓度达到峰值。治疗大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的敏感株及其多药耐药菌株引起的腹腔感染,小鼠72小时存活率均达100%。本论文进而利用氨基苯硼酸在强酸性环境(p H2)且不添加还原剂条件下可以稳定合成金纳米颗粒的特点,在胃内的酸性环境,直接向小鼠灌胃氨基苯硼酸与氯金酸作为抗菌原料,观察不同时间点胃和肠腔中原位合成的金纳米颗粒的形貌。口服给药5分钟后,在胃内快速合成的抗菌颗粒可以通过胃肠道屏障经血液循环到达全身,用于治疗革兰氏阴性细菌引起的感染。实验结果表明小鼠72小时存活率达100%,验证了口服原料体内直接合成氨基苯硼酸修饰金纳米颗粒治疗腹腔感染的可行性。综上所述,本论文设计苯硼酸衍生物修饰的金纳米颗粒抗菌效果优异且抗菌靶点明确,体内外生物安全性能及药物代谢效果优于常见的抗生素。针对皮肤感染和腹腔感染疾病模型,治疗效果优异,并能够通过腹腔原位注射和口服给药方式使用。具有成为新型抗菌纳米材料的应用前景。
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