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标签：学科前沿

关键词：离子液体荧光追踪抗菌活性

细菌感染是全球最大的公共卫生挑战之一，已导致全世界数百万人死亡。特别是由革兰氏阴性菌引起的感染性疾病极难治愈，每年都会有数百万人因此受到影响。然而，新的抗生素开发却跟不上抗生素耐药菌的爆发。革兰氏阴性菌膜具有高度组织化的结构，可以抑制外来入侵者的结合和渗透。因此，如何设计能够有效穿透或破坏革兰氏阴性菌膜的抗菌剂以保证优良的抗菌效果，成为一项重大挑战。

近年来，已经研究了各种类型的抗菌剂来应对细菌感染的威胁，包括合成聚合物、抗菌肽、金属/金属氧化物剂、碳基材料和阳离子剂。其中以咪唑基离子液体(ILs)为例的阳离子抗菌剂通常具有亲脂部分和带正电荷的部分，其阳离子面附着在细菌膜带负电荷的表面，而亲脂性面插入脂质双层中并引起膜破坏，最终导致细菌死亡。然而，阳离子小分子与细菌膜之间的关系需要进一步研究，尤其是对于革兰氏阴性细菌，目前仍然缺乏通过分子水平上精确调节烷基链中碳原子数量的系统研究。

图1.ILD对革兰氏阴性细菌抗菌活性研究

（图片来源：J.Am.Chem.Soc.）

基于此，来自北京化工大学徐福建、张现仁、俞丙然教授等人合作，设计并合成了一系列基于咪唑和吡咯并吡咯二酮(DPP)的柔性荧光离子液体衍生物(ILD)，利用荧光成像技术以及咪唑和DPP之间不同的烷基链长来研究分子大小对抗菌活性的影响（如图2所示）。并通过分子生物学和分子动力学(MD)模拟，进一步研究了ILDs对细菌膜的具体作用机制。

图2.荧光ILD的合成及其在PBS中对大肠杆菌的抗菌活性

（图片来源：J.Am.Chem.Soc.）

如在所示图1b中，ILD-6在μmolL-1时比ILD-12表现出更快的杀菌速度。ILD-6在1小时的共培养后就能杀死相当一部分细菌，而ILD-12则需要6小时才能有效杀死细菌。此外，ILD-6和ILD-12在PBS中的最低杀菌浓度(MBC)相同(μmolL-1)，但杀菌率不同。在PBS或LB培养基中测试的所有抗菌结果均表明ILDs的抗菌性能具有分子大小依赖性。

图2.ILDs对细菌膜损伤的SEM和AFM图像

（图片来源：J.Am.Chem.Soc.）

进一步对ILDs对细菌膜的损伤进行了评价。图2中SEM和AFM图像显示，用ILD-6、ILD-10和ILD-12处理的细菌表现出塌陷和融合的形态，说明细菌膜受损。相反，用ILD-3和ILD-8处理的细菌的形态与对照组一样，保持完整和光滑。TEM图像进一步证实了在对照组或经ILD-3和ILD-8处理的细菌中存在明显的和未损坏的膜结构。

图3.ILD和大肠杆菌之间相互作用的荧光定位和实时跟踪

（图片来源：J.Am.Chem.Soc.）

如图3所示，对细菌中的ILD进行荧光定位发现，带正电的ILD与细菌膜的带负电成分（磷脂的磷酸头部）发生了静电相互作用，且不受LPS的影响（LPS:脂多糖，革兰氏阴性细菌膜上的一种带负电荷的分子）。

图4.生物学和MD模拟揭示ILD对细菌膜的特定作用机制

（图片来源：J.Am.Chem.Soc.）

图5.不同ILD对革兰氏阴性细菌的膜损伤机制

（图片来源：J.Am.Chem.Soc.）

图6.PAO1伤口感染动物实验模型研究

（图片来源：J.Am.Chem.Soc.）

此外，研究人员通过生物学和MD模拟研究了ILD对革兰氏阴性菌的抗菌机制、不同ILD对革兰氏阴性细菌的膜损伤机制，以及建立了动物实验模型以研究ILD-6、ILD-8和ILD-12对抗PAO1（铜绿假单胞菌，另一种常见的革兰氏阴性细菌）伤口感染的疗效。相关结果如图4-6所示。篇幅有限，在此不再展开，感兴趣的读者朋友可以点击下方阅读原文查看。

总之，该研究设计了一系列具有不同分子尺寸的柔性荧光离子液体衍生物，并研究了其对革兰氏阴性菌的抗菌机制。实验发现，ILDs的分子大小对其穿膜能力和破坏能力有很大影响。不同烷基链长度的ILDs的抗菌活性主要取决于它们的膜变薄和膜破坏能力。ILDs对革兰氏阴性菌的结构-抗菌活性关系为合理设计下一代高级抗菌剂提供了有意义的信息。

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