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作者及研究机构
本研究的作者包括Su Ma、Doris Moser、Feng Han、Matthias Leonhard、Berit Schneider-Stickler和Yulong Tan。他们分别来自以下机构:Biocatalysis and Biosensing Laboratory, Department of Food Sciences and Technology, BOKU-University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna, Austria;Department of Cranio-Maxillofacial and Oral Surgery, Medical University of Vienna, Vienna, Austria;Key Laboratory of Marine Drugs, Chinese Ministry of Education, Shandong Provincial Key Laboratory of Glycoscience and Glycotechnology, School of Medicine and Pharmacy, Ocean University of China, Qingdao, PR China;Laboratory for Marine Drugs and Bioproducts of Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao, PR China;以及Department of Otorhinolaryngology and Head and Neck Surgery, Medical University of Vienna, Vienna, Austria。该研究于2020年发表在期刊Carbohydrate Polymers上。
学术背景
本研究的科学领域为生物材料与纳米药物递送系统,主要关注抗生物膜(antibiofilm)策略的开发。生物膜(biofilm)感染是临床中的一大难题,因为生物膜中的微生物对抗菌药物表现出高度耐药性。尽管单物种生物膜已被广泛研究,但越来越多的证据表明,大多数感染是由多微生物生物膜(polymicrobial biofilm)引起的,尤其是由白色念珠菌(Candida albicans)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)共同形成的混合生物膜。这类感染与更高的死亡率相关,且由于细菌与真菌之间的生物学差异,现有的抗菌药物难以同时有效对抗这两种微生物。因此,开发新的抗生物膜策略,特别是基于天然来源的药物,成为迫切需求。
本研究的目标是开发一种基于壳聚糖纳米颗粒(chitosan nanoparticles, CSNPs)的药物递送系统,以提高姜黄素(curcumin, Cur)对多微生物生物膜的治疗效果。姜黄素是一种从姜黄中提取的天然化合物,具有抗菌、抗炎和抗生物膜等多种生物活性,但其水溶性差限制了其临床应用。通过将姜黄素负载到壳聚糖纳米颗粒上,研究团队希望提高姜黄素的溶解度和生物利用度,从而增强其对生物膜的抑制和破坏作用。
研究流程
本研究包括以下主要步骤:
纳米颗粒的制备与表征
壳聚糖纳米颗粒(CSNPs)通过离子凝胶法(ion gelation method)制备,使用三聚磷酸钠(sodium tripolyphosphate, TPP)作为交联剂。姜黄素被负载到CSNPs上,形成CSNP-Cur。通过动态光散射(dynamic light scattering, DLS)和激光多普勒微电泳(laser Doppler micro-electrophoresis)分别测量了CSNP-Cur的平均粒径、多分散指数(polydispersity index, PDI)和zeta电位。扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)和透射电子显微镜(transmission electron microscopy, TEM)用于观察纳米颗粒的形貌。
药物包封效率与释放行为研究
研究了不同姜黄素与CSNPs重量比(2%、4%、8%、16%)下的包封效率(encapsulation efficiency)和载药量(loading content)。此外,通过体外释放实验,评估了CSNP-Cur在不同pH值(5.4和7.4)下的释放动力学。
最小抑菌浓度(MIC)测定
测定了游离姜黄素和CSNP-Cur对金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的最小抑菌浓度(minimum inhibitory concentration, MIC),以评估其抗菌和抗真菌活性。
生物膜穿透实验
使用罗丹明B异硫氰酸酯(rhodamine B isothiocyanate, RBITC)标记的CSNPs,通过共聚焦激光扫描显微镜(confocal laser scanning microscopy, CLSM)观察纳米颗粒在生物膜中的穿透能力。
生物膜形成抑制实验
在96孔板中,分别研究了CSNP-Cur和游离姜黄素对单物种和多微生物生物膜形成的抑制作用。通过细胞计数试剂盒-8(cell counting kit-8, CCK-8)评估生物膜的形成量。
已形成生物膜的破坏实验
研究了CSNP-Cur和游离姜黄素对已形成的单物种和多微生物生物膜的破坏作用。通过菌落形成单位(colony-forming units, CFU)实验评估了生物膜中微生物的存活率。
硅胶表面生物膜的抗生物膜活性研究
在硅胶表面培养多微生物生物膜,并使用CSNP-Cur或游离姜黄素进行处理。通过CLSM和SEM观察生物膜的结构变化和细胞存活情况。
主要结果
1. 纳米颗粒的表征
CSNP-Cur的平均粒径为134.37 ± 1.99 nm,zeta电位为+18.10 ± 0.82 mV,表明其具有正电荷和纳米级尺寸,有利于穿透生物膜。SEM和TEM显示CSNP-Cur呈球形且结构致密。
药物包封与释放
随着姜黄素与CSNPs重量比的增加,包封效率从91.95%下降至58.13%,而载药量从1.85%增加至9.31%。CSNP-Cur在pH 5.4下的释放速度显著快于pH 7.4,表明其在酸性环境中更易释放药物。
抗菌与抗真菌活性
CSNP-Cur对金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的MIC均为400 μg/mL,略高于游离姜黄素(200 μg/mL),但仍表现出显著的抗菌和抗真菌活性。
生物膜穿透
RBITC标记的CSNPs能够穿透生物膜并均匀分布,表明其正电荷有助于与生物膜中的负电荷成分结合。
生物膜形成抑制
CSNP-Cur和游离姜黄素均能显著抑制单物种和多微生物生物膜的形成,且抑制作用呈浓度依赖性。
已形成生物膜的破坏
CSNP-Cur对已形成的生物膜的破坏作用优于游离姜黄素,表明其纳米结构和正电荷有助于药物在生物膜中的渗透和释放。
硅胶表面生物膜的抗生物膜活性
CSNP-Cur处理显著减少了硅胶表面生物膜的厚度,并杀死了更多的微生物细胞,进一步验证了其抗生物膜活性。
结论
本研究成功开发了一种基于壳聚糖纳米颗粒的姜黄素递送系统(CSNP-Cur),其在抑制和破坏单物种及多微生物生物膜方面表现出优异的活性。CSNP-Cur的正电荷和纳米级尺寸使其能够有效穿透生物膜并释放药物,从而直接作用于生物膜内的微生物细胞。这一研究为开发基于天然药物的抗生物膜策略提供了新的思路,具有重要的科学和应用价值。
研究亮点
1. 创新性药物递送系统:首次将姜黄素负载到壳聚糖纳米颗粒上,显著提高了其水溶性和抗生物膜活性。
2. 多微生物生物膜研究:重点研究了由白色念珠菌和金黄色葡萄球菌形成的多微生物生物膜,填补了相关领域的研究空白。
3. pH响应性释放:CSNP-Cur在酸性环境中的快速释放特性使其在生物膜治疗中更具优势。
4. 综合实验方法:结合了SEM、TEM、CLSM等多种先进技术,全面评估了纳米颗粒的性能和抗生物膜效果。
其他有价值的内容
本研究还探讨了CSNP-Cur在硅胶表面的抗生物膜活性,为其在医疗器械表面的应用提供了实验依据。此外,研究团队计划进一步开展体内实验,以验证CSNP-Cur的临床潜力。
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