Gemini和寡聚陽(yáng)離子表面活性劑的高效抗菌活性

劉鳴華

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，膠體、界面與化學(xué)熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

寡聚季銨鹽表面活性劑膠束殺滅革蘭氏陰性菌的機(jī)理5。

陽(yáng)離子表面活性劑作為抗菌劑已廣泛用于日化、食品和醫(yī)藥衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域。但其大量的使用導(dǎo)致在環(huán)境中積累，從而對(duì)細(xì)菌造成選擇性壓力，加速了細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生1。在過(guò)去幾十年中，人們一直致力于開(kāi)發(fā)高效的抗菌表面活性劑，盡可能減少其用量，從而降低對(duì)細(xì)菌的選擇性刺激。通常，增大陽(yáng)離子電荷密度和疏水性有利于抗菌活性的提高，但這兩個(gè)因素也導(dǎo)致其細(xì)胞毒性較高2,3。實(shí)際應(yīng)用中往往要求抗菌劑既能有效殺滅細(xì)菌又對(duì)正常細(xì)胞無(wú)明顯毒性。目前的研究表明，引入生物相容性基團(tuán)可以明顯改善表面活性劑的細(xì)胞毒性，但這種方法通常也會(huì)降低其抗菌性能4。因此，如何使抗菌表面活性劑同時(shí)具有低細(xì)胞毒性與高效抗菌活性就成為這一領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所王毅琳研究員課題組與王樹(shù)研究員課題組合作，發(fā)展了具有強(qiáng)自組裝能力的含生物相容性基團(tuán)的新型表面活性劑，基于聚集體形成可以增加局部濃度和陽(yáng)離子電荷密度的優(yōu)勢(shì)，來(lái)彌補(bǔ)生物相容性基團(tuán)引入會(huì)降低抗菌活性的缺點(diǎn)，成功開(kāi)發(fā)了系列高效低毒的抗菌表面活性劑。首先，他們發(fā)展了含酰胺連接基團(tuán)的三聚、四聚和六聚季銨鹽表面活性劑，其具有強(qiáng)的組裝形成陽(yáng)離子膠束的能力，對(duì)大腸桿菌E.coli表現(xiàn)出高的抗菌活性(最小抑菌濃度MIC：1.70-0.93 μmol·L-1)，但無(wú)明顯的細(xì)胞毒性5。研究表明，這些表面活性劑的抗菌活性隨寡聚度的增加而增強(qiáng)，與其形成膠束的能力相一致。這些陽(yáng)離子膠束殺滅E.coli主要基于兩個(gè)過(guò)程：先基于靜電作用破壞外膜，然后通過(guò)疏水作用破壞其內(nèi)膜，釋放細(xì)胞質(zhì)，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。進(jìn)一步他們將生物相容性環(huán)糊精(CD)引入三聚季銨鹽表面活性劑(DTAD)中，其形成的CD/DTAD復(fù)合物具有強(qiáng)的聚集能力并含多個(gè)氫鍵位點(diǎn)，有效促使與細(xì)菌間的相互作用，在顯著提高DTAD對(duì)皮膚溫和性的同時(shí)保持了對(duì)E.coli高效的殺菌活性6。隨后，他們?cè)O(shè)計(jì)合成了基于β-CD帶有不同疏水鏈長(zhǎng)的季銨鹽表面活性劑APDB (12C)和APCB (16C)，其具有低的細(xì)胞毒性7。在評(píng)估抗菌活性的濃度下，APDB以單體形式存在，APCB形成球形聚集體。以APDB和APCB作為主體分子，引入三類(lèi)不同客體分子調(diào)節(jié)APDB/APCB與細(xì)菌間的靜電或疏水作用，發(fā)現(xiàn)客體分子能有效提高APCB球形聚集體的抗菌活性，但對(duì)APDB單體的抗菌活性沒(méi)有明顯提高，進(jìn)一步證實(shí)了聚集體的形成對(duì)于提高表面活性劑的抗菌活性起著關(guān)鍵性的作用。

基于上述研究，他們又深入研究了表面活性劑聚集體結(jié)構(gòu)與抗菌活性之間的關(guān)系8。通過(guò)調(diào)節(jié)Gemini型肽表面活性劑12-(Lys)n-12 (n= 2、4、6)聯(lián)接基團(tuán)賴(lài)氨酸的數(shù)目，得到不同長(zhǎng)徑比的聚集體(纖維，短棒和球形結(jié)構(gòu))。研究發(fā)現(xiàn)，聚集體結(jié)構(gòu)影響其與細(xì)菌的相互作用方式，從而展現(xiàn)不同的抗菌活性。長(zhǎng)纖維結(jié)構(gòu)主要靜電結(jié)合到細(xì)菌表面來(lái)促使細(xì)菌聚集，而長(zhǎng)徑比小的聚集體(短棒和球形聚集體)在靜電靶向結(jié)合到細(xì)菌表面后，其分子可以進(jìn)一步通過(guò)疏水作用插入并破壞細(xì)菌膜，因而對(duì)E.coli能呈現(xiàn)更高的抗菌活性。簡(jiǎn)言之，表面活性劑抗菌活性明顯依賴(lài)其聚集體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)徑比小的聚集體要優(yōu)于大尺寸聚集體。在這些理解的基礎(chǔ)上，他們建立了具有光譜抗菌活性并能夠有效去除細(xì)菌生物膜的Gemini型精氨酸表面活性劑12-(Arg)4-12自組裝體系9。

上述相關(guān)研究成果分別發(fā)表在ACSApplied Materials&Interfaces和ACSAppliedBioMaterials上5-9。最近，他們也發(fā)表了相關(guān)的綜述文章，具體闡述了表面活性劑分子結(jié)構(gòu)、聚集體結(jié)構(gòu)與殺菌性能之間的關(guān)系，發(fā)表在CurrentOpinionin Colloid&InterfaceScience上10，為構(gòu)建高效低毒抗菌表面活性劑提供了理論指導(dǎo)和實(shí)際參考。