科學(xué)家們已經(jīng)確定,蟬和蜻蜓等昆蟲的翅膀具有抗菌特性,因?yàn)檫@些昆蟲的翅膀上具有納米柱,細(xì)菌一旦接觸到就會(huì)死亡,然而,納米柱的抗菌原理尚且不為人知。
2020年4月2日,Nature?子刊?Nature Communications?雜志在線發(fā)表了來(lái)自英國(guó)布里斯托大學(xué)的一篇題為:Antibacterial effects of nanopillar surfaces are mediated by cell impedance, penetration and induction of oxidative stress?的研究論文。
在高分辨率的掃描顯微鏡下,研究人員發(fā)現(xiàn),蜻蜓翅膀的抗菌機(jī)理來(lái)自于表面納米柱對(duì)細(xì)菌的包膜變形與滲透過(guò)程。
蜻蜓翅膀可以殺菌
除蟬外,蜻蜓翅膀也已被證明具備有效的殺菌性能。研究人員發(fā)現(xiàn),一種名為Diplacodes bipunctata的澳大利亞紅色蜻蜓的翅膀能夠同時(shí)殺死革蘭氏陰性菌以及革蘭氏陽(yáng)性菌,其翅膀上的納米柱會(huì)增強(qiáng)細(xì)胞壁的應(yīng)力,甚至使之變形,從而形成殺菌效果。
注:革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌是利用革蘭氏染色法來(lái)鑒別的兩大類細(xì)菌。大多數(shù)化膿性球菌都屬于革蘭氏陽(yáng)性菌,它們能產(chǎn)生外毒素使人致病,而大多數(shù)腸道菌多屬于革蘭氏陰性菌,它們產(chǎn)生內(nèi)毒素,靠?jī)?nèi)毒素使人致病。
為了保證手術(shù)植入物的抗菌性,醫(yī)生們會(huì)將這些植入物提前浸入抗生素中,然而,鑒于蟬和蜻蜓翅膀具有獨(dú)特的殺菌性能,科學(xué)家們想要利用這種性質(zhì)設(shè)計(jì)出具有抗菌效果的植入物材料,從而有效解決臨床上的細(xì)菌感染問(wèn)題。
二氧化鈦納米柱與蜻蜓翅膀
為了更好地理解和驗(yàn)證納米柱的抗菌機(jī)制,科研團(tuán)隊(duì)使用電子斷層掃描技術(shù)對(duì)納米柱殺菌過(guò)程進(jìn)行3D重建,隨后,又通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)分析深入了解納米柱表面的分子變化,另外,使用細(xì)菌生存力測(cè)定法來(lái)定量測(cè)量金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和肺炎克雷伯菌在二氧化鈦納米柱表面的生存力。注:鈦合金納米柱多被用于整形外科的植入物。
在850°C下氧化5分鐘后,如下圖所示,二氧化鈦表面的納米形貌與在蜻蜓翅膀上的非常相似。下圖a為二氧化鈦納米柱的俯視圖,b為斜視圖。
包膜變形與滲透過(guò)程
在高分辨率的掃描顯微鏡(SEM)下,研究人員觀察到二氧化鈦納米柱上的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和肺炎克雷伯菌都出現(xiàn)了包膜變形現(xiàn)象,其中,“包膜變形”被定義為:納米柱以接觸方式壓入或改變細(xì)菌包膜的表面形態(tài)的過(guò)程。如下圖所示,白色箭頭所指即為包膜變形區(qū)域。
隨后,研究人員使用透射電子顯微鏡(TEM)發(fā)現(xiàn),納米柱上的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌出現(xiàn)了包膜變形和包膜滲透現(xiàn)象,對(duì)于肺炎克雷伯菌,納米柱在11%的細(xì)胞中誘導(dǎo)了包膜變形,同時(shí)滲透了8%的細(xì)胞。類似的,“包膜滲透“被定義為納米柱穿透細(xì)菌包膜的能力,該過(guò)程破壞細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞外環(huán)境之間的屏障。如下圖所示,白色箭頭所指即為包膜滲透處。
制造抗菌植入物
歷史研究認(rèn)為,翅膀表面的納米柱可以刺穿細(xì)菌細(xì)胞,導(dǎo)致細(xì)胞的機(jī)械裂解,從而達(dá)到抗菌的效果。
然而,本研究卻提出了反駁,經(jīng)過(guò)觀察與分析,科學(xué)家們認(rèn)為納米柱的抗菌原理實(shí)際上受到多因素影響,其中關(guān)鍵的兩個(gè)過(guò)程為包膜變形與細(xì)胞滲透,它們分別由物理阻抗的累積效應(yīng)和氧化應(yīng)激所誘導(dǎo)。
最后,作者指出,“在了解納米柱破壞細(xì)菌的機(jī)制后,下一步是將這一知識(shí)應(yīng)用于設(shè)計(jì)和制造具備抗菌性能的臨床納米植入物之中?!?/p>
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15471-x