银纳米粒子和一种新的传感方法可以对抗抗生素抗性生物膜

从保障我们的食物供应到预防医院感染，对抗抗生素耐药细菌的斗争是一个日益严峻的挑战。一些细菌可以形成生物膜，这是数百万个单个细胞的厚聚集体，周围是易于粘附在表面的保护性粘液状物质。形成这种生物膜是抵抗治疗的关键细菌策略

密集的分层菌落保护细菌免受免疫细胞的侵害，降低了防腐剂和抗生素的有效性。“一旦生物膜形成，其结构就会起到屏障的作用，使药物极难渗透和杀死细菌，”国家先进工业科学技术研究所（AIST）的首席研究员Chisato Takahashi博士解释道。生物膜的非凡弹性促使研究人员寻求传统抗生素之外的创新解决方案

在最近发表在《纳米尺度》杂志上的论文中，冲绳科学技术研究所（OIST）和AIST的一个科学家团队开发了一种对抗耐药细菌的新方法。

为了克服传统抗生素的缺点，研究人员开发了一个独特的纳米粒子，结合了多种机制来杀死细菌。

高桥博士说：“我们将银粒子封装在Soluplus的聚合物外壳内，并注入抗生素阿奇霉素。这种创新的封装策略使纳米粒子在抗菌活性方面稳定高效。”

在之前的一项研究中证明了这些纳米粒子的稳定性后，是时候测试它们的有效性了。“我们选择了两种众所周知的细菌，它们往往会导致医院获得性感染：大肠杆菌和表皮葡萄球菌，”OIST微/生物/纳米流体部门的博士后学者、该研究的第一作者Murali Mohan Jaligam博士说

这些细菌因在导管和外科植入物等表面形成有弹性的生物膜而臭名昭著，导致人体内严重的抗治疗感染。抗生素在清除细菌方面具有高度特异性，这限制了细菌感染期间的可用治疗选择，当抗生素耐药性出现时，这一限制变得尤为关键

在这些情况下，尖端的纳米粒子可以超越传统方法

OIST微/生物/纳米流体部门负责人Amy Shen教授说：“我们的纳米颗粒可以提供双重作用攻击——用抗生素和银离子靶向细菌细胞。包封聚合物确保了稳定性，防止纳米颗粒结块，提高了其效率。”

只有通过将银、抗生素和聚合物结合起来，研究人员才赋予了他们的纳米粒子穿透和破坏细菌生物膜的独特能力

高桥博士补充道：“不仅仅是任何纳米粒子都能做到这一点。”

可视化成功：一种实时监测的新方法

研究人员使用扫描电子显微镜和光密度测量来观察纳米粒子如何破坏生物膜。虽然这些方法已经建立得很好，但它们可能很耗时，需要用特殊的染料对样品进行染色。开发激光诱导石墨烯（LIG）电极使该团队克服了现有的技术限制

Jaligam博士解释说：“我们创建了一个小型化、高灵敏度的LIG电极系统，能够实时监测细菌活动。”。这些电极具有较大的表面积，为细菌形成生物膜提供了理想的基础，并且具有高导电性，因此可以很容易地测量电荷的流动

因为腐烂的细菌会产生与完整细菌不同的电化学信号，所以电极可以在电流变化时检测到细菌细胞的破裂。这种方法比传统的评估抗菌活性的方法更快、更准确，并且在不污染细菌的情况下工作。“我们的LIG传感器技术为检测和管理细菌污染和生物膜提供了一种高效、可扩展且经济高效的解决方案，”沈教授指出。这些品质为电极的使用开辟了几个领域，例如癌症筛查。同样，纳米粒子除了对抗医院获得性感染外，还有潜在的用途，例如，在涂覆医疗器械以防止生物膜形成方面

“抗生素耐药性继续对全球健康构成严重威胁，但像这样的突破提供了一条充满希望的前进道路。我们的研究表明，合作、跨学科研究有潜力解决我们目前在现代医学中面临的一些最紧迫和最复杂的挑战，”沈教授说 More information: Murali Mohan Jaligam et al, Enhanced antibacterial efficacy: rapid analysis of silver-decorated azithromycin-infused Soluplus® nanoparticles against E. coli and S. epidermidis biofilms, Nanoscale (2024). DOI: 10.1039/D4NR02583K

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