抗菌药物的“隐形军刀”|吉林大学董彪和王林团队在抗菌策略研发方面取得新进展
【供稿：电子科学与工程学院】近日，吉林大学电子科学与工程学院董彪教授、口腔医学院王林教授团队及高丽大学JongSeungKim教授的研究小组合作，开发了一种全新的抗菌策略来对抗难治性细菌感染，通过合成纳米复合材料将铁营养免疫治疗、光热治疗和光动力治疗有效结合，显著提升了其抗菌性能，为细菌感染的治疗提供了一种全面的解决方案。相关研究以“BreakingIronHomeostasis:IronCapturingNanocompositesforCombatingBacterialBiofilm”为题，于2024年4月2日发表在《AngewandteChemieInternationalEdition》上。
基于该纳米材料的抗菌疗法被VictoriaAtkinson在Chemical&EngineeringNews特刊报道，并被AdvancedSciencesNews的JennaFlogeras作者邀请报道，并在IADRAPR国际会议上被评价为最具有前景的抗菌策略之一。来自美国马萨诸塞州立大学阿默斯特分校的生物纳米化学学家VincentRotello这样评价该研究成果：“你可以把它形容为瑞士军刀！他们在这种材料中加入了一系列的功能，他们每添加一个功能，它就会变得越来越有效。这种组合才是有趣和新颖的地方。”
目前，细菌感染及其引发的抗生素耐药性问题已成为一个日益严峻的全球性公共卫生挑战。随着耐药性细菌株日益增多，传统抗生素治疗的有效性不断下降，迫使研究者探索和发展新的抗菌策略，尤其是针对那些对现有治疗手段产生耐药性的细菌。
铁是细菌生长和代谢中不可或缺的微量元素，它参与到呼吸作用、多种酶的活性以及许多关键的代谢途径中。然而，在宿主体内铁的可用性非常有限，这是宿主防御机制的一部分，旨在限制病原体的生长。面对铁所限制的环境，细菌进化出了复杂而精巧的铁获取机制，包括分泌铁高亲和力的铁载体来捕获和运输铁离子。这些机制的存在不仅显示了铁在细菌生存和增殖中的重要性，也揭示了铁调控可能成为抗菌策略的一个潜在靶点。
研究团队开发的纳米复合材料（Ga-CT@P）含有一种与铁结合的血红素卟啉结构高度相似的模拟物，为细菌提供了至关重要的营养物质，但以镓离子代替了铁。这种策略利用了镓离子与铁离子在化学性质上的相似性，细菌的铁摄取系统会误将镓离子识别为铁离子并摄入，但由于镓离子无法支持细菌的代谢活动，最终导致细菌因铁饥饿而无法生长，甚至死亡。随着材料释放Ga3+，同时带走了与卟啉有更强结合亲和力的Fe3+，导致细菌处于铁限制环境而缺铁。
Ga-CT@P纳米复合物的另一亮点在于其光热和光动力治疗功能，通过光照引发的热效应和活性氧的生成，直接攻击细菌或其生物膜结构。这一策略结合了光热治疗、光动力治疗与铁营养免疫治疗的多重机制，显著提升了其抗菌性能，为未来通过破坏细菌营养平衡来治疗细菌感染提供了新的视角。
该论文的第一作者是吉林大学口腔医学院研究生孙文悦、吉林大学基础医学院孙娇教授和高丽大学博士生丁启航，通讯作者是吉林大学口腔医学院王林教授，电子科学与工程学院董彪教授和高丽化学学院JongSeungKim院士。
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https://doi.org/10.1002/anie.202319690