金奈米粒子可能會是意想不到的秘密武器,來幫助我們對抗細菌的抗生素抗藥性

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在細菌當中填滿金可能是一個停止感染的簡便方法。但令人挫折地是,科學家仍困於將這項知識轉成實際的抗菌療法。

「黃金」武器

乍看之下,金可能似乎不是用來殺死細菌的明顯療法。但是,當將金縮小至很細、奈米尺度的粉塵時,這種很重的元素卻能夠造成相當嚴重的傷害。

金奈米粒子辦到這件事的其中一個方法是促進能釋放出可破壞 DNA 的氧氣物種的化學反應。另一個方法是干擾細胞膜,使得它們更容易受到各種有毒物質的滲透,例如抗生素。它們亦可以很有效率地從雷射光中吸收光、加熱並且烤熟它們周邊。

很不幸地是,如此簡便來清理感染的方法並非總是能從宿主身上分辨出細菌,這讓我們自己身的細胞亦暴露於金奈米粒子療法的風險之下。所需要的方法就是鼓勵細菌盡可能地吸收越多的金粒子,同時確保我們自身的細胞不會做同樣的事。

來自中國南方科技大學(Southern University of Science and Technology)與復旦大學(Fudan University)、以及英國里茲大學(University of Leeds)的研究人員們,最近協力將金的奈米團簇(nanocluster)重新包裝,使它們對細菌更有吸引力,且對我們身體傷害更小。

藉由將金編織成兩個具有不同等級靜電黏性(electrostatic stickiness)的分子,研究團隊打造出了一種粒子,其具有潛力來降低許多常見細菌型病原體(bacterial pathogens)的防禦力,而不會傷害到周圍的組織。

化學調節工程

最近幾年,工程師們以兩種方式來操控金奈米粒子的表現。其中一種是準確地控制它們的尺寸。讓粒子控制在 2 奈米之下可以幫助粒子更順利通過我們的腎臟,讓它們更快地排出身體。因此,研究人員專注於將它們團簇的大小僅限於 25 埃。

第二種是納入稱為配位基(ligand)的「黏性」化學結構,賜予各種特徵,讓金奈米粒子容易被追蹤、或是幫忙控制粒子的形狀。在這個案例中,藉由施加一帶正電的配位基至團簇上,研究團隊希望,更帶負電的細菌細胞會如同毛衣吸引貓毛般地吸引金奈米粒子。

進一步調整金奈米粒子,以讓它們更不可能影響宿主的身體,對於將金療法轉成為臨床上真的療法會很有幫助。但過去的研究在用單一類型的配位基蓋住金奈米粒子上的運氣不佳,這是因為,要整合具有不同功能的配位基的方法往往不相容。

這一次,研究團隊有一條勝利方程式,是根據兩個物質的結合而成,分別是被稱為吡啶鎓(pyridinium)的帶正電化合物、以及兩性離子(zwitterion),同時具有正電荷與負電荷的化合物。吡啶鎓幫助讓金奈米粒子更容易吸引細菌。而選擇兩性離子,則是根據過去的研究,顯示它們會改善穩定性、以及增加與動物組織的相容性。

測試結果

當測試於耐甲氧西林表皮葡萄球菌(methicillin resistant Staphylococcus epidermidis,MRSE)上時,加強的金奈米團簇對細菌聚集的能力有清楚的影響。它也產生了具反應性的氧氣物種,並影響了其細胞膜的整體性。

更佳地是,當接著對細菌投予各式各樣的抗生素時,細菌的數量下降了。在其中一個例子中,需要用來抑制 MRSE 生長的抗生素劑量下降了超過 100 倍。

對受到 MRSE 皮膚感染的老鼠的測試幫助確認金奈米粒子協助了感染復原,而沒有在身體組織周圍造成阻礙。

來自里茲大學的化學工程師周德建教授(Dejian Zhou)說:「藉由系統化地調整兩種配位基的比例,我們辨識出了一個方法來使用金奈米團簇,不僅可以作為有效的抗菌劑,也可以作為一種機制,當細菌由於產生了抗藥性而使抗生素變得不有效時,來增強抗生素的效力。這項研究,對我們思考應該如何對應抗生素抗藥性的方法上,具有重要意義。」

嶄新曙光

逐漸增加的抗生素抗藥性是現代藥學上更為急迫的問題之一,它讓我們一些最珍貴的抵抗感染的方法變得無效。找出新方法來殺光細菌是很好的,但是找到方法來保住我們現存的療法寶庫也會是一個很大的安慰。

這可能是一個相當的黃金機會,給予我們第二次機會來保護人們,免受在歷史上曾經奪走如此多條生命的疾病的攻擊。

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參考資料:

  1. McRae, M., (2021, November 12). Gold Could Be the Unexpected Secret Weapon We Need Against Antibiotic Resistance. ScienceAlert

  2. Pang, Z. et al., (2021, October 24). Controlling the pyridinium–zwitterionic ligand ratio on atomically precise gold nanoclusters allowing for eradicating Gram-positive drug-resistant bacteria and retaining biocompatibility. Chemical Science. DOI: 10.1039/D1SC03056F

  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/a-sprinkle-of-gold-dust-could-make-bacteria-susceptible-to-old-antibiotics-again(圖:Callista Images/Getty Images)