文|明月故人寻

编辑|明月故人寻

前言

细菌形状在进化上发展，以支持它们在不同环境下的存在、生存和增殖、与其他生物体的相互作用以及菌落的形成和致病性。

尽管在合成聚合物化学和控制调整纳米粒子的结构和形态方面取得了重大进展，但以优化抗菌活性为目的的纳米材料形态设计研究却产生了不同的结果。

在设计抗菌材料时，重要的是要考虑两种截然不同的活动模式和机制，一种涉及与细菌细胞的直接相互作用，另一种是促进纳米材料进入受感染的宿主细胞以接触细胞内病原体。

细菌可能以球体形式存在，例如淋病奈瑟氏球菌、杆状物质（例如大肠杆菌）、螺旋状物质（例如幽门螺杆菌），甚至可能以不常见的形状存在，例如盒形或星形（图 1）。

图1

此外，许多细菌在适应环境线索的过程中可能会在其生命周期内转变为其他形态。

由于 DNA 损伤或暴露于压力（如抗菌剂），细菌可能会形成长丝状形状（可达其原始长度的 10-50 倍）。

抗菌在实验中的形态变化

哺乳动物泌尿道内杆状大肠杆菌的丝状结构使细菌能够逃避免疫系统，因为它们的长丝状形状可以防止被吞噬细胞吞噬。

丝状形状还有助于细胞之间的转运，使细胞内生态位永久存在，该生态位还可以保护细菌免受吞噬细胞清除和/或许多抗生素药物的作用。

2017 年，世界卫生组织 (WHO) 宣布鲍曼不动杆菌（一种通常与医院获得性感染相关的杆状细菌）的某些菌株已经对所有可用的抗生素产生耐药性，包括碳青霉烯类，通常被认为是最后的抗生素选择。

这种病原体只是近年来迅速吸收多重耐药性的众多病原体之一，由于多种原因，包括缺乏市场激励，制药公司长期以来一直优先开发慢性病和癌症的治疗方法，而不是生产新型抗生素。

现有的抗菌剂受到多种因素的挑战，包括低溶解度、生物利用度、细菌耐药性和脱靶毒性。

而药细菌的出现、让抗生素未能战胜耐药菌株，所以新抗生素的开发有限，以及细胞内储库内的细菌庇护，所有这些都需要采取新措施来改善抗生素的输送和抗菌活性。

纳米颗粒可用于通过被动和主动靶向的多种机制递送现有的抗生素货物，无论是通过输送抗生素货物还是具有内在的抗菌活性。

纳米粒子的有效性都可以通过调整它们的物理和化学特性（例如，大小、形状、表面化学等）来提高。

换句话说，纳米粒子的形状导向设计不仅可以增强它们对细菌的亲和力，还可以增加它们对受感染细胞的内化，特别是如果与定制的表面化学相结合。

为了模拟细菌，可以合成纳米粒子并将其组装成不同的形状，例如球体、棒状、蠕虫状、盘状等。（如图2）。

图2

广泛探索了纳米颗粒的形状如何决定细胞运输和内化，以及体内性能，用于多种生物医学应用。

然而，关于模拟细菌形状纳米材料的形态设计以及纳米颗粒形状对抗菌效率影响的研究是有限的。

当前的综述重点介绍了已用于合成具有优异抗菌活性的形状定制纳米粒子的主要策略。

但合成方法主要集中在抗菌剂（例如银）的掺入和聚合物结构单元的超分子组装成随后载有抗菌剂的确定形状的纳米颗粒上。

细菌形态的耐药性

细菌表现出的不同形态在其致病性中起着至关重要的作用，例如，鞭毛的螺旋形状和表达使幽门螺杆菌能够在粘稠的胃粘蛋白溶液中快速游动，增强它们从粘蛋白凝胶中逃逸的能力。

细菌细胞的几何形状由某些调节细胞膜发育和重塑的细胞骨架蛋白束决定，例如 MreB、FtsZ 和 crescentin，当大肠杆菌在 MreB 被具有抗菌活性的小分子（例如 S-(3,4-二氯苄基) 异硫脲，也称为 A22）解聚后可以呈现球形形态。

也可能在其整个生命周期中采用其他形态，例如，枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和单核细胞增生李斯特菌在用细胞壁靶向抗生素治疗后可能转变为细胞壁缺陷状态（“L 型”）。

这种 L 型开关允许细菌逃避 β-内酰胺作用，令人惊讶的是，它们可以有效地恢复其围墙状态，从而导致反复感染。

另一个例子是新月茎杆菌，它会在暴露于亚致死剂量的核糖体靶向抗生素后改变其形状和纵横比。

纳米粒子的合成

纳米材料可以制成多种多样的复杂形态，包括棒状、蠕虫状、圆盘状（圆形、扁圆状、椭圆状）、*弹子**状、桶状等。

纳米颗粒的药代动力学（例如，循环寿命）、靶向、生物分布、细胞摄取和随后的细胞运输受到纳米颗粒的物理化学特性（例如形态、大小和纵横比）的深刻影响。

不同的方法已被用于合成各种形态的纳米粒子用于抗菌应用。

化学还原和溶剂热方法通常用于无机纳米粒子的形状定向合成，化学还原主要包括三种主要成分的相互作用：前体盐（如AgNO 3）、还原剂（如L-抗坏血酸、硼氢化钠、柠檬酸钠等）和稳定剂（如聚乙烯吡咯烷酮）。

此外，在化学还原过程中可能需要加热（例如，通过微波辅助方法），溶剂热法也被报道用于合成金属纳米材料，例如，氧化锌 (ZnO) 和氧化锡 (IV) (SnO 2)]的不同形态，有或没有表面活性剂的帮助。

在这些方法中，溶剂是控制合成纳米粒子形状的重要因素，因为溶剂特性（例如，极性、粘度）影响前体的溶解度和动力学。

虽然两亲性嵌段聚合物的超分子组装已被广泛研究多年，并证明可以精确调整纳米颗粒的尺寸、形状和形态，但结晶驱动自组装 (CDSA) 最近作为一种种子技术出现并通过受控过程生长，具有更精细的组成和结构异质性的聚合物纳米颗粒。

可以将 CDSA 作为一种强大的方法，用于在溶液中自组装嵌段共聚物，以形成各种形态的纳米结构，包括具有明确尺寸的条形码或围巾状纳米结构纳米物体。

重要的是，将 CDSA 方法迁移到水溶液中，这直接研究用于生物医学应用的纳米粒子组装，并证明可以调整块长比以允许形成不同形态的自组装。

通过此类工艺，季铵化和综合消化粪便分析两亲和阳离子聚 ( l-丙交酯) 36-嵌段-聚 (甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯) 216共聚物具有可结晶的 PLLA 嵌段和稳定的 PDMAEMA 嵌段，从而生产出本质上具有抗菌作用的阳离子纳米粒子。

PLLA 36的季铵化- b -PDMAEMA 216通过与甲基碘反应然后与 CDSA 在水中反应得到球形胶束组件，而通过与月桂基碘反应的季铵化允许 CDSA 进入血小板。

为了通过掺入碘甲烷实现血小板形态，在季铵化之前需要 (PLLA 36 - b -PDMAEMA 216 ) 的 CDSA。

发现血小板形态与较长脂肪链月桂基季铵化纳米结构赋予的表面化学相结合导致最高的抗菌活性。

为了增强此类纳米结构材料的生物相容性、可降解性和可持续性，当类似的 CDSA 形态控制研究合成了两亲嵌段聚合物，但源自天然来源的葡萄糖和丙交酯，骨架上具有不稳定的碳酸酯和酯键。

结果发现，两性离子聚（d-葡萄糖碳酸酯）和半结晶聚（l-丙交酯）片段提供了可调尺寸和形态（即球体、圆柱体和小片）的多功能聚合物纳米载体的形成（图1）。

然后通过与二硫醚和羧酸盐基团的相互作用，将 Ag 加载到聚合物纳米结构中，与 O'Reilly 系统相比，这些材料本身并不具有细胞毒性，而是配备了两性离子表面化学物质，并设计用于携带银基广泛抗菌货物以供释放。

利用植物提取物（例如，芦荟）或非致病性真菌（例如，绿色木霉）的生物学和可持续方法也已被用于合成不同大小和形态的纳米粒子。

这些生物学方法涉及使用充当还原剂和稳定剂的各种生物体（例如，细菌、真菌和植物）。

也可以控制不同的参数，如 pH、温度、反应时间、底物浓度和植物/真菌提取物，以开发各种尺寸和形态的纳米粒子。

设计抗菌时材料的区分

在设计抗菌材料时，要考虑两种截然不同的活动模式和机制，涉及与细菌细胞直接相互作用的模式和机制，以及促进进入受感染宿主细胞以进入细胞内的模式和机制病原体。

虽然球体代表了文献中最常描述的纳米粒子形态，但构建各种形态的非球形纳米结构组件可以模拟细胞形状（例如，细菌细胞），以增强治疗效果和货物靶向。

在某些情况下，已经发现不同的纳米结构形态不会对微生物敏感性或生存力产生显著影响。

纳米粒子和细菌的形态在纵横比之间的相似性可能会增加亲密接触和相互作用的机会 ，许多研究涉及固有的抗菌无机纳米颗粒。

例如由银组成的纳米颗粒，而其他研究则涉及两亲性构建块的超分子组装，以构建支架，然后装载抗菌货物。

具有非凡延伸形状的多分子组装聚合物纳米材料的一个子类，称为丝状胶束或丝状胶束，具有高纵横比（1 µm 长×150 nm 宽），在加载抗菌剂后可能具有优异的抗菌活性。

由于单核吞噬细胞系统的吞噬作用和清除率降低，丝状胶束可能在体内提供额外的优势，因为与球形类似物相比，它们的循环寿命增加了 10 倍。

银是一种众所周知的强效广谱抗菌剂，自 1920 年代以来已被美国食品和药物管理局 (FDA) 批准用于伤口处理。

结语

由于其抑制作用的多种模式，银纳米颗粒为耐药微生物菌株的管理提供了一种有前途的策略，可单独使用或与抗生素联合使用（即产生协同效应）。

银已被用于纳米医学技术，或者作为能够脱落 Ag +的 Ag 0纳米颗粒，或者作为银盐或银络合物作为纳米颗粒支架内的货物装载。