AgNPs/FcSB壳聚糖水凝胶通过干扰细菌QS系统治疗生物膜相关感染

Bacterial biofilm (BBF) is one of the main reasons caused many refractory infections, because it has a high resistance to the traditional antibiotics and be able to resist and evade the host immune response. With the widely application of implantable medical devices, the rising mobidity of the biofilm-associated infections (BAI) has been a major issue urgently to be solved in the medical profession. So developing new type of antibacterial materials to block the formation of BBF is the key to the fundamentally treatments. In previous reports, we have found some of ferrocene-carborane derivatives (FcSB) have excellent antibacterial and anti-infection effects. Based on the previous work, we intend to prepare a non-antibiotic antimicrobial nano medical hydrogel materials (ACVCSG) by crosslinking the main active molecules (FcSB) and the AgNPs which have persistent antibacterial effect with chitosan. We explore the antibacterial and anti-biofilm properties of the ACVCSG in vitro and in vivo；the inhibitory effect to the bacterial LuxS/AI-2-dependent quorum-sensing (QS) system and the impact to the expression quantity of the related genes and proteins. Thus, we illustrate the target sites and the mechanism of the ACVCSG treating BAI. This research will provid the theory basis and a new avenue for the targeting therapy of BAI.

细菌生物膜（BBF）耐药性极强，能够抵御和逃避宿主的免疫效应，是导致许多顽固性感染的重要原因。随着植入性医疗器械的广泛应用，细菌生物膜相关感染 (BAI) 的发病率日益增高，已成为医学界亟待解决的重大难题。开发新型抗菌材料从根本上阻断BBF的形成是治疗BAI的关键。在前期研究验中，我们发现并验证了几种二茂铁-碳硼烷衍生物（FcSB）具有优良的抗菌抗感染效果。本项目拟在前期研究基础上采用FcSB作为主要抗菌活性分子，用具有持久抗菌效果的纳米银包被FcSB，再通过壳聚糖进行交联，制备成一种非抗生素型纳米抗菌凝胶医用材料 (ACVCSG)。通过评价ACVCSG的体内外抗菌、抗BBF的效果；验证其对细菌LuxS/AI-2型QS系统信号分子的可能抑制作用及对相关基因和蛋白表达的影响，进而阐明其治疗BAI的药物靶点和作用机制，为临床靶向治疗BAI这一医学难题提供新的解决方案和理论基础。

细菌生物膜对抗生素、消毒剂以及人体免疫系统均有极高的抗性，因此经常导致各种慢性难治性感染。由于生物膜形成微生物群极易粘附在固体表面，因此生物膜相关感染 (BAI) 通常发生在接受医疗器械的病人身上。生物膜结构通常难以被根除，所有当前缺乏有效手段来控制与治疗BAI。尽管已有一些潜在的抗生物膜活性物质 (抗菌肽、纳米颗粒、小檗碱、呋喃酮衍生物等)，然而其仍未应用到临床实践中。传统的抗菌剂在杀菌浓度下能够有效杀灭细菌，但是一旦其浓度下降到最低杀菌浓度以下，残存的细菌能够逐渐适应抗菌剂压力和不利环境，并且能形成生物膜。因此，理想的抗生物膜药物应当能有效抑制细菌粘附与生物膜的形成而并非单纯的抑制和杀灭细菌。细菌QS信号分子 (自体诱导分子, AIs) 与细菌的多种群体行为密切相关，如生物膜的形成、毒性表达、抗生素耐药性等。QS分子与其对应的受体已被认为是治疗耐药性细菌感染与BAI的一种重要的作用靶标。然而，发展新型分子以抑制AIs的生物合成或阻断其受体蛋白与QS分子的结合，仍然存在挑战。. 项目研究中，我们考察并探讨了多种呋喃酮衍生物的生物学活性，包括一种苯并呋喃酮衍生物——黑尿酸-γ-内酯 (HgAL)。HgAL对铜绿假单胞菌PAO1的抗QS与抗生物膜形成效果通过CLSM, SEM, HPLC 以及其他生物化学方法进行了定性与定量评价。同时，我们评价了这类化合物对细菌胞外基质 (总糖与总蛋白)、细菌的粘附性、生物膜的形成、毒素分泌、 3-oxo-C12-HSL and C4-HSL (铜绿假单胞菌中两种重要的QS信号分子) 生物合成等的影响。结果表明：HgAL能有效抑制绿脓菌素和胞外基质的产生, 同时能够有效降低PAO1的粘附能力与生物膜的形成。通过推理，我们认为这些毒力因子的抑制效果极可能是由于 HgAL抑制了3-oxo-C12-HSL 和 C4-HSL的生物合成所引起。这些研究结果阐明了HgAL的抗QS与抗生物活性与作用机理，为BAI的预防与治疗提供潜在的理论基础与应用前景。