负离子杀菌机制（新知抗菌新方法）

越来越多的证据表明，细菌感染性疾病对人类健康构成巨大威胁，已成为人类死亡的主要原因。然而，抗生素的滥用以及在环境中的残留导致了耐药菌的出现和流行。尽管科学家仍在开发新的抗生素，但开发速度远远落后于致病微生物的突变速度。因此，迫切需要新的抗菌剂或治疗策略来对抗这些高度耐药的细菌。

新的抗菌策略

光热治疗（photothermal therapy，PTT）是一种基于光化学反应的微创技术，通过将光能（通常是近红外光）转化成热能，从而杀死细菌（图1）。其物理特性的治疗机制使它在治疗细菌感染时可以避免耐药性的产生。同时因为近红外光可以穿透到更深的组织中，因此该技术具有很高的体内应用前景。

PTT的核心是强光转化效率纳米材料的开发。光热纳米材料的研发是领域内被广泛关注的热点，材料涉及到贵金属、半导体、碳纳米材料和有机化合物等，它们均表现出非常好的光热效果与杀菌效果。但是由于这些材料对细菌缺乏特异性，对它们的利用只能停留在体外阶段，因为光热效果在杀菌的同时很容易对宿主细胞造成伤害。因此，研发一种具有特异性的光热杀菌材料格外重要。

图1 光热杀菌示意图（图片来自Xu et al., Biomaterials Science, 2021.）

新的抗菌靶点

肽聚糖是细菌细胞壁的重要组成部分，为细菌生长提供了坚实的结构。它保护细胞免受外部环境和高内渗透压的影响。如图2所示，酰胺连接酶MurC，MurD，MurE和MurF催化非核糖体肽键的形成，以添加肽聚糖上肽的部分。这些酶是优秀的细菌靶点，因为他们对细菌的生存具有至关重要的功能，并且在所有医学相关的细菌中都是保守的。MurD催化D型谷氨酸（D-Glu）与中间产物形成酰胺键。具有D型结构的氨基酸（D-Glu）仅在原核生物中代谢，而MurD对D-Glu表现出极高的特异性，D-Glu的衍生物常被用来设计MurD酶的抑制剂。然而，到目前为止几乎没有抗菌剂可以进入细菌并作用于MurD酶。因为细菌外壁非常密集，同时由于细菌的外排作用使这些抑制剂常常失效。

图2 细菌肽聚糖的合成示意图（图片来自Kouidmi et al., Molecular Microbiology, 2014）

一种新型协同抗菌光热碳点的研发

近日，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所宋一之课题组联合董文飞课题组以MurD酶为靶点，共同设计并开发了一种新型纳米抗菌碳点BAPTCDs。设计原理如图3所示，BAPTCDs由邻苯二胺和D-Glu通过溶剂热的方法合成，可以特异性结合细菌，并在激光照射下迅速升温，破坏细菌细胞壁，杀死细菌。BAPTCDs具有非常好的光热效果，如图4 所示，它可以在激光照射下迅速升温。BAPTCDs的升温效果会随着材料浓度和激光功率的升高而升高，因此后期可以通过调节材料浓度和激光功率灵活调节升温效果。BAPTCDs的D型结构使它本身可以通过侵入细菌细胞壁杀死细菌，达到80%以上的杀菌效率（图5）。结合激光器照射产生的高温，可以杀死96.33%的大肠杆菌和全部的金黄色葡萄球菌。结合碳点材料本身具有的稳定性高、荧光量子效率高、水溶性好和无毒等优点，使得该材料具有非常好的应用前景。

图3 BAPTCDs合成和作用机理示意图

图4 BAPTCDs光热效果图（图A为不同浓度BAPTCDs在808 nm激光器1.5 W/cm²功率照射下的升温情况，图B为200 μg/ml BAPTCDs溶液在不同激光功率下的温度变化情况）

图5 BAPTCDs在不同环境中的存活数量变化（从左到右分别为大肠杆菌ATCC 700926和金黄色葡萄球菌ATCC 29213在PBS、近红外激光、BAPTCDs溶液和BAPTCDs与近红外共同作用下的结果。图A为标准平板法结果，图B和图C为菌落数据统计结果。）

相关科研成果以 Design, synthesis, and application of carbon dots with synergistic antibacterial activity为题发表在Frontiers in Bioengineering and Biotechnology （JCR一区）上。

来源：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所