Gemini和寡聚阳离子表面活性剂的高效抗菌活性

刘鸣华

中国科学院化学研究所，胶体、界面与化学热力学实验室，北京 100190

寡聚季铵盐表面活性剂胶束杀灭革兰氏阴性菌的机理5。

阳离子表面活性剂作为抗菌剂已广泛用于日化、食品和医药卫生等各个领域。但其大量的使用导致在环境中积累，从而对细菌造成选择性压力，加速了细菌耐药性的产生1。在过去几十年中，人们一直致力于开发高效的抗菌表面活性剂，尽可能减少其用量，从而降低对细菌的选择性刺激。通常，增大阳离子电荷密度和疏水性有利于抗菌活性的提高，但这两个因素也导致其细胞毒性较高2,3。实际应用中往往要求抗菌剂既能有效杀灭细菌又对正常细胞无明显毒性。目前的研究表明，引入生物相容性基团可以明显改善表面活性剂的细胞毒性，但这种方法通常也会降低其抗菌性能4。因此，如何使抗菌表面活性剂同时具有低细胞毒性与高效抗菌活性就成为这一领域研究的难点。

中国科学院化学研究所王毅琳研究员课题组与王树研究员课题组合作，发展了具有强自组装能力的含生物相容性基团的新型表面活性剂，基于聚集体形成可以增加局部浓度和阳离子电荷密度的优势，来弥补生物相容性基团引入会降低抗菌活性的缺点，成功开发了系列高效低毒的抗菌表面活性剂。首先，他们发展了含酰胺连接基团的三聚、四聚和六聚季铵盐表面活性剂，其具有强的组装形成阳离子胶束的能力，对大肠杆菌E.coli表现出高的抗菌活性(最小抑菌浓度MIC：1.70-0.93 μmol·L-1)，但无明显的细胞毒性5。研究表明，这些表面活性剂的抗菌活性随寡聚度的增加而增强，与其形成胶束的能力相一致。这些阳离子胶束杀灭E.coli主要基于两个过程：先基于静电作用破坏外膜，然后通过疏水作用破坏其内膜，释放细胞质，导致细菌死亡。进一步他们将生物相容性环糊精(CD)引入三聚季铵盐表面活性剂(DTAD)中，其形成的CD/DTAD复合物具有强的聚集能力并含多个氢键位点，有效促使与细菌间的相互作用，在显著提高DTAD对皮肤温和性的同时保持了对E.coli高效的杀菌活性6。随后，他们设计合成了基于β-CD带有不同疏水链长的季铵盐表面活性剂APDB (12C)和APCB (16C)，其具有低的细胞毒性7。在评估抗菌活性的浓度下，APDB以单体形式存在，APCB形成球形聚集体。以APDB和APCB作为主体分子，引入三类不同客体分子调节APDB/APCB与细菌间的静电或疏水作用，发现客体分子能有效提高APCB球形聚集体的抗菌活性，但对APDB单体的抗菌活性没有明显提高，进一步证实了聚集体的形成对于提高表面活性剂的抗菌活性起着关键性的作用。

基于上述研究，他们又深入研究了表面活性剂聚集体结构与抗菌活性之间的关系8。通过调节Gemini型肽表面活性剂12-(Lys)n-12 (n= 2、4、6)联接基团赖氨酸的数目，得到不同长径比的聚集体(纤维，短棒和球形结构)。研究发现，聚集体结构影响其与细菌的相互作用方式，从而展现不同的抗菌活性。长纤维结构主要静电结合到细菌表面来促使细菌聚集，而长径比小的聚集体(短棒和球形聚集体)在静电靶向结合到细菌表面后，其分子可以进一步通过疏水作用插入并破坏细菌膜，因而对E.coli能呈现更高的抗菌活性。简言之，表面活性剂抗菌活性明显依赖其聚集体结构，长径比小的聚集体要优于大尺寸聚集体。在这些理解的基础上，他们建立了具有光谱抗菌活性并能够有效去除细菌生物膜的Gemini型精氨酸表面活性剂12-(Arg)4-12自组装体系9。

上述相关研究成果分别发表在ACSApplied Materials&Interfaces和ACSAppliedBioMaterials上5-9。最近，他们也发表了相关的综述文章，具体阐述了表面活性剂分子结构、聚集体结构与杀菌性能之间的关系，发表在CurrentOpinionin Colloid&InterfaceScience上10，为构建高效低毒抗菌表面活性剂提供了理论指导和实际参考。