- 创建含有封装抗菌药物的银纳米颗粒改性聚合物制剂
- 已证实对表皮葡萄球菌形成的生物膜具有抗菌作用
- 使用激光诱导石墨烯作为电极材料开发可以在短时间内评估抗菌活性的生物传感器
可以使用开发的生物传感器在短时间内评估新配方对生物膜的抗菌效果
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）极端功能材料研究部首席研究员高桥千里与冲绳科学技术大学院大学（以下简称“OIST”）的 Amy Shen 教授等人共同开发了一种对生物膜形成细菌具有高抗菌效果的制剂，并开发了一项对其短期评估的技术。
生物膜感染是由人类牙齿、牙龈、体内植入的心脏起搏器、人造心脏瓣膜等表面形成称为生物膜的糖类引起的。慢性感染一直是一个问题，因为使用传统的给药方式很难使抗菌物质作用于生物膜内的细菌。
在这项研究中，我们创建了一种含有银纳米颗粒的 Solplus® 聚合物配方，其中封装有阿奇霉素（一种大环内酯类抗菌物质）。该制剂结合了银纳米粒子和抗菌剂这两种作用机制不同的抗菌物质，作用于生物膜形成细菌，因此有望具有很高的抗菌效果。施用所创建的制剂两小时后，证实与含有银纳米颗粒的聚合物制剂相比，其对表皮葡萄球菌生物膜的抗菌效果约为 15 倍。
此外，在开发具有抗菌作用的制剂时，评估抗菌活性所需的时间也是一个问题。因此，我们使用激光诱导石墨烯生物传感器并使用新开发的配方进行验证，我们证明可以在很短的时间内评估抗菌活性。
此研究结果的详细信息将于 2024 年 9 月 9 日（英国夏令时间）公布。纳米级
牙周病等生物膜感染是由于人类牙齿、心脏起搏器、人工心脏瓣膜等表面形成生物膜而引起的感染。生物膜是表皮葡萄球菌等微生物产生的细胞外多糖。生物膜一旦形成，用常规给药方式很难使药物或抗菌物质作用于生物膜内的细菌，因此这种感染会变成慢性，一直需要开发对生物膜具有抗菌作用的制剂。
同时，抗菌活性评估对于开发具有抗菌作用的制剂是必要的。传统上，这种评估是使用稀释板法进行的。该方法包括稀释含有目标药物或制剂的悬浮液，将其薄薄地涂在琼脂培养基上，进行培养，并根据培养基上菌落的外观和数量来鉴定微生物的类型和数量。还有一种方法是通过染色来计数活菌数量，以分离活菌和死菌，但这一般需要大约半天到两天的时间来测量，这也是导致培养困难的因素之一。
AIST正在致力于设计胶囊制剂，以有效地将药物和抗菌物质输送到目标区域，迄今为止已设计出具有抗菌作用的银纳米颗粒改性的聚合物制剂。为了将该配方投入实际使用，在更短的时间内评估抗菌效果是一个挑战，但我们了解了OIST先进的使用生物传感器的抗菌活性评估技术，并且我们能够与Amy博士进行联合研究。这使得显着缩短配方的评估时间成为可能。
在这项研究中，我们开发了两项主要技术。
第一个是具有核壳结构的配方设计技术，可有效对抗生物膜，并将银纳米颗粒和药物以不同的分布结合在聚合物中。我们采用化学合成方法，使用 Solplus®（巴斯夫制药的表面活性剂）（一种改性球形银纳米粒子）作为基质，将阿奇霉素封装在核心中，合成了尺寸约为 250 nm 的颗粒制剂（图 1）。当使用稀释板法评估用这种新配方处理2小时的生物膜的抗菌活性时，发现对表皮葡萄球菌形成的生物膜的抗菌效果比银纳米粒子复合物Solplus配方高约15倍（图2，左）。人们认为，银纳米粒子和阿奇霉素对表皮葡萄球菌具有不同的作用机制，通过为它们提供核壳结构，它们变得更加有效，提高了对生物膜和形成细菌的抗菌效果。结果发现，施用新制剂 6 小时后，90% 的生物膜形成细菌已死亡（图 2，右）。如图3中的扫描电镜图像所示，2小时后出现一些球形表皮葡萄球菌，但6小时后观察到许多扁平状表皮葡萄球菌，似乎已死亡。
图1：颗粒制剂的横截面结构。它具有两层结构，药物封装在内部，银纳米颗粒进行了整体修饰，主要是在颗粒制剂的表面（蓝色区域）。
※莫汉(2024),纳米级(CC BY-NC 30) 中的数字的引用/修改。
图2：（左）施用本研究开发的制剂和各种制剂后2小时生物膜形成细菌的存活率
（右）施用开发制剂后 2 至 6 小时生物膜形成细菌的存活率
※莫汉(2024),纳米级(CC BY-NC 30)并进行修改。
图 3：将本研究中开发的制剂施用于生物膜后 2 小时和 6 小时的扫描电子显微镜 (SEM) 图像（箭头表示制剂）
※莫汉(2024),纳米级(CC BY-NC 30) 中的数字的引用或修改。
第二个是用于评估抗菌活性的生物传感器合成技术，可以轻松快速地测量。
近年来，CO2据报道，可以使用激光或蓝色激光在聚酰亚胺片上有效地生成石墨烯层，这种材料被称为激光诱导石墨烯（LIG）。这种材料具有微孔结构（图 4），使其在与生物膜接触时能够捕获细菌。当含有细菌的LIG用作电极时，电极的特性会随着细菌活性的轻微变化而变化，这被认为可以对抗菌活性进行高度灵敏的评估。
在这项研究中，通过开发一种使用 LIG 电极的新型生物传感器，我们能够构建一个 LIG 电化学测量平台，与传统方法相比，该平台能够更轻松地评估抗菌活性。为了制造高灵敏度传感器，电极的高电导率很重要，以便测量电流值的变化，但是CO2我们通过优化激光照射条件实现了这一目标。将开发的生物传感器浸入由表皮葡萄球菌形成的生物膜中，并在施加恒定电位时测量电流响应，响应电流值根据制剂施用到生物膜上的时间而下降（图5），显示出与使用传统稀释板方法研究的活细胞率随时间变化类似的行为。响应电流的测量可以在大约 10 分钟内完成，这可能会显着缩短评估新配方抗菌效果所需的时间。
图 4：在聚酰亚胺基板上形成的激光诱导石墨烯 (LIG) 的 SEM 图像
※莫汉(2024),纳米级(CC BY-NC 30)。
图 5：用新配方处理的表皮葡萄球菌生物膜的计时安培法测量（两种银浓度：5 µg/mL 和 10 µg/mL）
※莫汉(2024),纳米级(CC BY-NC 30) 中的数字的引用或修改。
未来，我们将继续设计有效对抗耐药细菌和多种细菌形成的生物膜的配方。我们还计划使用生物传感器来评估抗菌活性，该生物传感器使用激光诱导石墨烯作为电极，使用各种细菌种类和配方。同时，我们将改进这种生物传感器，构建一个可以高灵敏度测量氧化还原反应的系统，并进行活性氧的测量。
已出版的杂志：纳米级
论文标题：增强抗菌功效：银装饰阿奇霉素注入 Soluplus 的快速分析®纳米粒子对抗E。大肠杆菌和S。表皮生物膜
作者：Jaligam Murali Mohan、Chisato Takahashi、Benjamin Heidt 和 Amy Q Shen
DOI：101039/D4NR02583K