CN104662053B - 具有细菌粘附性质的包含呋喃酮的高分子化合物 - Google Patents

具有细菌粘附性质的包含呋喃酮的高分子化合物 Download PDF

Info

Publication number
CN104662053B
CN104662053B CN201380035750.6A CN201380035750A CN104662053B CN 104662053 B CN104662053 B CN 104662053B CN 201380035750 A CN201380035750 A CN 201380035750A CN 104662053 B CN104662053 B CN 104662053B
Authority
CN
China
Prior art keywords
furanone
xen
macromolecular compound
sma
main chain
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201380035750.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104662053A (zh
Inventor
L·克卢伯曼
O·E·契纳
T·E·克卢蒂
N·P·古莱
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stellenbosch University
Original Assignee
Stellenbosch University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stellenbosch University filed Critical Stellenbosch University
Publication of CN104662053A publication Critical patent/CN104662053A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104662053B publication Critical patent/CN104662053B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/08—Prevention of membrane fouling or of concentration polarisation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06—Organic material
    • B01D71/58—Other polymers having nitrogen in the main chain, with or without oxygen or carbon only
    • B01D71/62—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06—Organic material
    • B01D71/76—Macromolecular material not specifically provided for in a single one of groups B01D71/08 - B01D71/74
    • B01D71/80—Block polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F212/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an aromatic carbocyclic ring
    • C08F212/02—Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical
    • C08F212/04—Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical containing one ring
    • C08F212/06—Hydrocarbons
    • C08F212/08—Styrene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F8/00—Chemical modification by after-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F8/00—Chemical modification by after-treatment
    • C08F8/14—Esterification
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
    • B01D2321/16—Use of chemical agents
    • B01D2321/168—Use of other chemical agents

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Agricultural Chemicals And Associated Chemicals (AREA)
  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)
  • Medicinal Preparation (AREA)
  • Pharmaceuticals Containing Other Organic And Inorganic Compounds (AREA)
  • Plural Heterocyclic Compounds (AREA)
  • Furan Compounds (AREA)

Abstract

描述了具有对抗细菌例如铜绿假单胞菌Xen 5、大肠杆菌Xen 14、鼠伤寒沙门氏菌Xen 26、金黄色葡萄球菌Xen 36和肺炎克雷伯菌Xen39的细菌粘附抑制性质的高分子化合物(I)。基团R被提供为取代的呋喃酮，所述取代的呋喃酮通过烷基链，或更优选通过亲水部分例如低聚(环氧乙烷)((CH2‑CH2‑O)i)连接至高分子主链。高分子主链中基团R可以相同或不同。本发明还提供包含如上定义的高分子化合物的纳米纤维和涂层。

Description

具有细菌粘附性质的包含呋喃酮的高分子化合物
技术领域
本发明涉及具有细菌粘附抑制性质的高分子化合物。
背景技术
虽然膜过滤是有前途的技术，但是其大规模工业应用却受限制，这部分是因为欠佳的固有膜性质，而大部分是因为膜的污染。使用化学灭微生物剂例如氯来控制膜的生物污染是普遍的。然而，这些化学灭微生物剂的大部分在高pH值下不是非常有效，并且它们与溶解的化学品反应产生了有害的副产物。已经报道了清洁膜的物理手段例如清刮、刷、擦抹和喷射，但是最多只作为其它生物膜移除法的次要方法。也已经开发使用了噬菌体、电流和营养控制，但是这些方法或者是寄主专一性的或者花费长时间才能起效，且非常没有成本效率。
现在重点转移至膜表面的修饰从而控制污染。已经报道不同氧化态的多种金属元素例如银、铜、锌、镍、锰、铁和锂具有抗微生物性质。这些金属中的一些已经与高分子混合并被制成纤维用于过滤介质、创伤敷料和其它应用。
群体感应(QS)是细菌通讯的方法，并且形成了生物膜形成的基本部分。过去几年，已经可得到关于细菌QS的许多出版物和大量的数据，并且研究者使用不同方法调节QS的兴趣也在增加。QS对细菌生存不是必需的，但帮助协调基于群落的细菌行为。因此，抑制QS仅仅干扰所需的表型。生物膜对抗生素和消毒处理是高度耐受的，并且这导致持久的人类感染和在工业生产中的有害的腐蚀和设备故障。已经研究了表面的修饰和新抑制剂设计以控制在工业生产中的生物膜形成。
过滤膜中生物膜的形成是与膜技术相关的主要限制之一。这降低水纯化系统中水的质量和数量，并由此导致更高的处理成本。利用QS的干扰可能不会引起普遍的有益效果，但是使得细菌更容易被常规手 段控制或破坏。
已经发现呋喃酮部分具有各种药用性质，例如抗癌、强心、止痛、抗微生物、抗病毒、抗真菌和抗炎性质。使用抑制微生物的QS的呋喃酮衍生物已不是新现象。已经进行了了解QS的不同通路的生物化学研究。呋喃酮衍生物已从自然界分离得到，还可以被合成。已经报道了这些呋喃酮衍生物的特异性QS路径。呋喃酮化合物临床应用的研究已非常普遍。在最近的一篇文章中，报道了由呋喃酮部分的QS抑制已经阻止铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)引起的软腐病攻击洋葱植物。Hume等人已经将呋喃酮偶联至聚苯乙烯并且使用熔体成型制备在其表面具有5至8％呋喃酮的圆盘，其具有高达89％的表皮葡萄球菌(S.epidermidis)生物膜形成的减少。他们还采用他们的高分子涂布导尿管用于体内试验，其显示在65至85天之间呋喃酮已可以被磨损或浸出。
这显示呋喃酮介导的QS抑制的潜在和广泛的应用。呋喃酮是高丝氨酸内酯的类似物，其似乎干扰典型的生物膜结构的发展，使得这些生物体对灭微生物剂的处理更加敏感。靶向QS相比于使用抗生素也具有优势，因为不存在细菌发展成耐受的风险，该耐受引起严重的控制问题。许多天然产物包含被分类为内酯的3(2H)-呋喃酮母核结构。由于呋喃酮化合物的高合成性和生物重要性，在近二十年它们的化学受到相当大的关注。
发明内容
根据本发明，提供了具有细菌粘附抑制性质的高分子化合物，其具有下式：
其中R选自
且其中取代基R1、R2、R3和R4中的至少一个为连接至高分子主链的连接基团，典型地为烷基链，或更优选为亲水部分例如低聚(环氧乙烷)((CH2-CH2-O)i)；并且其余的取代基为一个或多个氢原子、卤素、烷基或芳基。
本发明的进一步特征提供取代基以提供与高分子主链连接的外部双键；优选地，R1和R2结合成一个取代基，该取代基经双键连接至呋喃酮A中的呋喃酮，并且R3和R4结合成一个取代基，该取代基经双键连接至呋喃酮B中的呋喃酮。
本发明更进一步的特征提供高分子主链中每个R相同或不同。
更进一步特征提供R选自
进一步特征提供高分子化合物，其中细菌粘附抑制性质对抗的细菌包括单独地以及混合细胞培养形式的铜绿假单胞菌Xen 5、大肠杆菌(E.coli)Xen 14、鼠伤寒沙门氏菌(S.typhimurium)Xen 26、金黄色葡萄球菌(S.aureus)Xen 36和肺炎克雷伯菌(K.pneumoniae)Xen 39。
本发明还提供纳米纤维和涂层，其包含如上定义的高分子化合物，特别是提供了纳米纤维材料，其包含具有细菌粘附抑制性质的高分子化合物，该高分子化合物具有下式
其中R选自
且其中取代基R1、R2、R3和R4中的至少一个为连接至高分子主链的连接基团，典型地为烷基链，或更优选为亲水部分例如低聚(环氧乙烷)((CH2-CH2-O)i)；并且其余的取代基为一个或多个氢原子、卤素、烷基或芳基。
进一步特征提供取代基以提供与高分子主链连接的外部双键；优选地，R1和R2结合成一个取代基，该取代基经双键连接至呋喃酮A中的呋喃酮，并且R3和R4结合成一个取代基，该取代基经双键连接至呋喃酮B中的呋喃酮。
更进一步的特征提供高分子主链中每个R相同或不同。
更进一步特征提供R选自
附图说明
现在以示例方式参考随附附图描述本发明，其中：
图1为SMA和SMA/呋喃酮1的重叠ATR-FTIR，其显示SMA向含呋喃酮的版本转化；
图2显示SMA/呋喃酮1(A)和SMA/呋喃酮2(B)的纳米纤维直径以及SMA/呋喃酮1(C)和SMA/呋喃酮2(D)纳米纤维垫的孔隙大小；
图3显示SMA/呋喃酮1纳米纤维垫(nanofibrous mat)分别经30分钟和36小时的抗微生物(A)和细胞粘附抑制(B)潜能；
图4显示SMA/呋喃酮2纳米纤维垫分别经30分钟和36小时的抗微生物(A)和细胞粘附抑制(B)潜能；
图5显示纳米纤维垫对混合菌株的抗微生物(A)和粘附抑制(B)潜能；
图6为体内图像，其阐明暴露于混合培养物10分钟之后呋喃酮修 饰的纳米纤维垫的抗微生物功效；
图7显示荧光显微图像，其显示呋喃酮修饰的纳米纤维垫的细胞粘附抑制和抗微生物功效；和
图8显示GC-MS图谱，其表明呋喃酮化合物没有从纳米纤维垫浸出进入滤过水中。
具体实施方式
提供了具有细菌粘附抑制性质的高分子化合物且该高分子化合物具有下式
R选自
其中取代基R1、R2、R3和R4中的至少一个形成连接至由聚(苯乙烯-共-马来酸酐)提供的高分子主链的连接基团。所述连接基团典型地为烷基链，或更优选为亲水部分例如低聚(环氧乙烷)((CH2-CH2-O)i)。其余的取代基为一个或多个氢原子、卤素、烷基或芳基。
取代基还可以提供与高分子主链连接的外部双键。在该形式中，优选地，R1和R2结合成一个取代基，该取代基经双键连接至呋喃酮A中的呋喃酮，并且R3和R4结合成一个取代基，该取代基经双键连接至呋喃酮B中的呋喃酮。
高分子主链中每个呋喃酮R可以相同或不同。
如下的实施例证明两种根据本发明的呋喃酮修饰的聚(苯乙烯-共-马来酸酐)化合物。
材料
作为统计共聚物的包含约28重量％马来酸酐的商品级聚(苯乙烯-共-马来酸酐)(Mw 110 000)由Polyscope，Geleen，荷兰捐赠(Grade SZ28110)，2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮(DMHF,98％)、环氧丁烷(98％)、丙烯酰氯、2,2-(氨基乙氧基)乙醇(98％)、碘(I2，99％)和氢化钠(NaH，95％)获得自Sigma Aldrich，南非并且无需进一步纯化即可使用。Boc氧化物((Boc)2O，98％)、Grubbs(II)催化剂(97％)、碳酸氢钠(NaHCO3，99.5％)和硫代硫酸钠(Na2S2O3，99％)获得自默克化工(Merck chemicals)。该研究中使用的溶剂和酸(四氢呋喃(THF)99.9％、乙醚(98％)、乙酸乙酯(99.8％)、三乙胺(99.5％)、二氯甲烷(DCM，99.8％)、对甲苯磺酸(98％)、磷酸(H3PO4，95％)和甲苯(99.8％))均购自Sigma Aldrich。细菌菌株大肠杆菌Xen 14、鼠伤寒沙门氏菌Xen 26、铜绿假单胞菌Xen 5、肺炎克雷伯菌Xen39和金黄色葡萄球菌Xen 36获得自Caliper Life Sciences，Hopkinton MA，USA。细菌菌株包含发光杆菌(Photorhabdus luminescence)luxABCDE操纵子(lux基因)以产生酶荧光素酶，其在ATP和氧气存在下发出光子。
呋喃酮1的合成
在不含溶剂条件下，于室温向磁力搅拌的2-(2-(氨基乙氧基)乙醇20.67mL(1mmol)和(Boc)2O 10.50g(1mmol)混合物，加入催化量的碘2.53g(10mol％)。搅拌反应混合物3小时之后，加入乙醚(10mL)。用Na2S2O3水溶液(5％，5mL)和饱和的NaHCO3溶液洗涤反应混合物。用Na2SO4干燥有机层且在减压下蒸发溶剂。使用硅胶色谱法以乙酸乙酯和三乙胺(7:1)作为溶剂系统进一步纯化产物。该步骤之后进行真空蒸发以去除任何残余溶剂，产生所需的Boc保护的2-(2-(氨基乙氧基)乙醇(1)。搅拌同时，向6.82g产物1(0.036mol)逐渐加入20mL THF，随后加入1.03g NaH(1.2当量)。使用HAAKE Thermo DC5-K75低温恒温器将反应温度降低至-20℃。当温度达到-20℃且氢气已经完全演变时，向反应混合物加入2.50g环氧丁烷(0.036mol)并搅拌另外1小时。然后在室温搅拌反应另外16小时。搅拌下缓慢加入水(20mL)直至H2演变停止。使用CH2Cl2分离有机层，用H2O洗涤并且使用10g Na2SO4干燥以得到6.16g(90.32％)的2。向醇2(6g，0.022mol)，加入2.33g (0.26mol)丙烯酰氯和5mL乙醚。然后将混合物倒入水中并且分离有机层。经真空蒸发去除过量的挥发物并且获得5.88g产物3(98％)。通过加入3.29g(0.01mol)Grubbs第二代催化剂经复分解反应使产物3(5.50g,0.017mol)关环，得到Boc保护的5-(2-(2-氨基乙氧基)乙氧基)甲基)-2(5H)呋喃酮(4)，其在甲苯存在下采用H3PO4脱保护之后得到产物(5)，产率84％。由于当重复过柱时损失产物的产率所以不考虑通过柱色谱法的进一步纯化。1H-NMR(600MHz,CDCl3):δ＝3.42(m,2H),3.58(m,5H),3.81(m,2H),4.42(s,2H),4.98(m,1H),5.35(m＝1H),6.32(s＝2H).
反应根据如下方案发生：
呋喃酮2的合成
如前面章节所述，将2-(2-氨基乙氧基)乙醇中的氨基用Boc保护并且将所得的Boc保护的产物(1)与2,5-二甲基-4-羟基-3-(2H)-呋喃酮(2.0g)在250mL圆底烧瓶中在对甲苯磺酸(100mg)和无水乙醇(80mL)存在下反应。在回流冷凝器的顶端连接干燥管，将混合物回流6小时。然后将混合物冷却，用固体NaHCO3(5g)震摇并且通过2mm NaHCO3层过滤以去除酸催化剂。产物包含起始原料和Boc保护的产物，可能是 因为对甲苯磺酸使2-(2-氨基乙氧基)乙醇脱保护。使用柱色谱法纯化Boc保护的4-(2-(2-氨基乙氧基)-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮。接下来使用4当量H3PO4在甲苯作为溶剂存在下进行脱保护，得到78％产率。
通过电喷雾质谱法确定5-(2-(2-氨基乙氧基)乙氧基)甲基)-2(5H)呋喃酮和4-(2-(2-氨基乙氧基)-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮的摩尔质量。ES-MS光谱确定5-(2-(2-氨基乙氧基)乙氧基)甲基)-2(5H)呋喃酮和4-(2-(2-氨基乙氧基)-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮的摩尔质量分别为m/z215.01和m/z 201.1。这对应于215.101g 5-(2-(2-氨基乙氧基)乙氧基)甲基)-2(5H)呋喃酮和201.110g 4-(2-(2-氨基乙氧基)-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮的计算摩尔质量。1H NMR(600MHz,CDCl3):δ＝1.22(s,3H),2.16(s,3H),2.98(m,2H),3.32(m,4H),3.62(m,2H),3.74(m.1H),6.67(s,2H).
反应根据如下方案发生：
使呋喃酮化合物固定于SMA上
在装备了搅拌器的三颈圆底烧瓶中，放置0.5g SMA(0.0025mol MAnh)并且加入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(20mL)作为溶剂。然后于70℃搅拌溶液。SMA完全溶解之后，在持续搅拌下滴加入1g 4-(2-(2-氨基乙氧基)-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮(0.0051mol)。这导致反应物的凝 胶化，剧烈搅拌以及升高温度至150℃得到澄清的金色溶液。然后使用旋转蒸发使该溶液脱水，随后进行真空蒸发以去除任何残余溶剂以得到最终产物，产率91％。在5-(2-(2-氨基乙氧基)乙氧基)甲基)-2(5H)呋喃酮情况下，使用1.069g SMA(0.0051molMAnh)和1.026g 5-(2-(2-氨基乙氧基)乙氧基)甲基)-2(5H)呋喃酮(0.0051mol)。
固定化根据如下反应方案发生。
NMR光谱学
在氘代氯仿(CDCl3)中，于293K，使用具有5mm宽带探头的Varian Unity Inova600MHz NMR光谱仪，获得一维1H NMR光谱。对于1HNMR使用1秒的弛豫时间和600MHz的频率。光谱内部参照TMS。以TMS的ppm前场记录所有峰。
电喷雾质谱
使用装配有Waters UPLC的Waters API Q-TOF Ultima进行ES-MS。在毛细管电压3.5kV，锥孔电压35V和RFI值50注射样品(3μL)。将源温度保持在80℃并且去溶剂温度保持在350℃。去溶剂气体设置为350L/h并且锥孔气体设置为50L/h。
ATR/FTIR
为了确认呋喃酮化合物固定于SMA上，进行ATR-FTIR光谱。使用由Nicolet Thermo提供的装配有FTIR气体分析仪的Nexus FT-IR用于ATR-FTIR研究。光谱仪安装了金刚石单晶并且在分辨率6cm-1在 600cm-1至4000cm-1红外线范围进行测量。光谱基于每个样品总计32次扫描。
静电纺丝
将修饰的高分子(SMA/5-(2-(2-氨基乙氧基)乙氧基)甲基)-2(5H)呋喃酮(SMA/呋喃酮1)和SMA/4-(2-(2-氨基乙氧基)-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮(SMA/呋喃酮2))溶解于乙醇和甲醇混合物(1:1)中以形成10％重量/体积的静电纺丝溶液。溶解于THF的原始SMA用于对照实验。Gule及其同事详细描述的气泡静电纺丝用于纳米纤维生产。在室温静电纺丝所有高分子溶液。使用的小部件-收集器距离(widget-collector distance)为20cm并且将相对湿度维持在45至60％用于持续的纤维形成。使用的外加电压为45至50kV。通过于120℃加热处理15分钟使纳米纤维垫交联。
抗微生物和细胞粘附抑制特性
为了确定纳米纤维的抗微生物功效，采用了基础板计数技术。用生物发光成像(bioluminescent imaging)和LIVE/DEAD BacLight确认这些试验以确定对抗活的但是非培养(VBNC)的细胞的抗微生物功效。这样做是为了定量在与抗微生物纤维接触期间进入休眠状态的细胞并且是为了消除过高评价纳米纤维的抗微生物功效的机会。
板计数
使用肺炎克雷伯菌Xen 39、金黄色葡萄球菌Xen 36、大肠杆菌Xen14、铜绿假单胞菌Xen 5和鼠伤寒沙门氏菌Xen 26测试修饰的高分子的抗微生物性质和细胞粘附抑制性质。在旋转轮上，于37℃，在10mL脑心浸液(BHI)肉汤(Biolab Diagnostics)中，连同适当抗生素一起培养每种病原体过夜。对于每种菌株，通过在3000rpm离心10min将细胞压成小球，并且用生理水洗涤3次。通过接种106CFU/mL每种菌株于500mL无菌生理水中制备加标水(spiked water)样品。进行数个对照(细胞活性)试验(此处未报告)以验证渗透性溶解的缺乏，其通常发生在将细胞(特别是革兰氏阴性细胞)从丰富培养基移至生理水时。使用附加分光光度计的Biorad smart specTM测量CFU/mL。然后通过原始SMA(对照)或呋喃酮修饰的纳米纤维垫过滤加标水。然后使用10mL生理水冲洗纳米纤维数次以洗掉所有残余细菌细胞，并且将冲洗水 析出于BHI琼脂板上以确定活细胞。在特定接触期之后进行该操作以确定随时间变化细胞的死亡。于37℃孵育板过夜之后，使用菌落计数确定过滤器(filter)的抗微生物作用。对于每种病原体进行实验并且每个特定接触期一式三份。为了模拟细菌物种共存的实际生活细节，从106CFU/mL库存取每种病原体20μL，将其接种在同样的包含10mLBHI肉汤的管中以制备菌株的鸡尾混合物，并且如前所述进行抗微生物试验。
细胞粘附抑制特性
进行呋喃酮修饰的纳米纤维垫的细胞粘附抑制能力。为此，将称取的(10mg)呋喃酮修饰的纳米纤维垫培养于BHI(10mL)培养基中，所述培养基包含大肠杆菌Xen 14、鼠伤寒沙门氏菌Xen 26、铜绿假单胞菌Xen 5、肺炎克雷伯菌Xen 39和金黄色葡萄球菌Xen 36。培养这些菌株过夜之后，从培养基中移除纳米纤维垫并且在生理水中冲洗纳米纤维垫以去除离散菌落。随后进行板计数，生物发光成像和荧光成像技术以确定呋喃酮衍生物的粘附抑制的程度。没有研究实际的生物膜发展和生物膜构架，并且对这些纳米纤维的未来研究将会探索这些细节。
生物发光成像(BLI)
生物发光成像(BLI)是比较新的发展，其使用由转基因的活生物体发出的光作为工具用于小型实验动物中的分子成像。BLI提供一种灵敏且无害的方法，该方法仅允许活的(live)或有活力的(viable)细胞被检测。该技术通过定量细胞发出的总光子测量细胞活力。为了在抗微生物评价中应用BLI系统，在该研究中使用从Caliper Life Sciences(Hopkinton MA,USA)获得的工程细菌菌株用于评估。所述细菌菌株具有发光杆菌luxABCDE操纵子(lux基因)以产生酶荧光素酶，其在ATP和氧气存在下发出光子。这些光子表明病原体中的代谢活动。BLI的研究与板计数数据一致，相关效率约0.98。使用如前面章节所述的相同程序，但是不冲洗过滤器和析出，而是将过滤器置于Caliper Life Science供应的XENOGEN VIVO VISION In Vivo Imaging Lumina System(IVIS)中，并且使用Living3.1软件处理它们。在通过呋喃酮修饰的纳米纤维垫过滤加标水之后并且还在由菌株发出的生物发光水平暴露 于监控器10分钟之后立即进行成像。
荧光实验
在旋转轮上，于37℃，将呋喃酮修饰的纳米纤维垫和对照纳米纤维垫(10mg)连同适当的抗生素一起暴露于“板计数”章节所述的病原体鸡尾混合物中过夜。然后使用镊子从培养基中取出这些垫并且使用生理水轻轻冲洗。使用购自Molecular Probes Inc.的具有SYTO 9和碘化丙啶荧光染料的LIVE/DEAD BacLight试剂盒将样品染色用于成像目的。SYTO9将所有细胞染成绿色，而碘化丙啶穿透细胞膜已经破损的细胞并且将其染成红色。在一次染色步骤中可以获得活菌数和总菌数。通过将样品与6.5μM染料在室温孵育10min进行染色。然后在与装配有F-view-II cooled CCD照相机(软件成像系统)的IX-81倒置荧光显微镜连接的Olympus Cell^R系统上观察这些样品。使用Xenon-Arc灯头(Olympus BiosystemsGMBH)作为光源，采用472nm或572nm激发滤光片激起成像。使用UBG三波段带通发射滤波器管(UBGtriple-band-pass emission filter cube)收集发射。对于图像帧的获得，使用Olympus Plan Apo N 60x/1.4Oil物镜和Cell^R成像软件。使用Cell^R软件处理图像并进行图像背景提取。
气相色谱偶联质谱(GC-MS)
化合物浸出到环境中通常伴随健康和污染担忧。为了确定呋喃酮衍生物是否浸出到过滤水中，使用气相色谱偶联质谱(GC-MS)筛查通过纳米纤维垫过滤的水。作为阳性对照，分析0.02M 5-(2-(2-氨基乙氧基)乙氧基)甲基)-2(5H)呋喃酮(呋喃酮1)加标的蒸馏水并且使用蒸馏水作为阴性对照。使用装配有CTC CombiPAL自动进样器的Waters GCT光谱仪进行GC-MS，使用了DB XLB柱(30m，0.25mm ID，0.1μm膜厚度)。在分析中使用固相微萃取(SPME)小瓶并且使用CTC PAL自动进样器分析样品的顶部空间。
结果
呋喃酮化合物的合成和特性
SMA共聚物的重要性归因于它们在许多用于各种目的的领域的应用。其应用包括，用于提升苯乙烯聚合材料的性质的添加剂、涂层添加剂、粘合剂应用、用于建筑材料的添加剂、微胶囊、共混增容剂(blend compatibilizer)、用于金属上聚烯烃涂层的粘合促进剂和医学和药物应用。SMA共聚物还被认为是功能性或反应性高分子。功能性大约由共聚物主链中的马来酸酐提供。SMA主链中马来酸酐对亲核试剂(H2O、醇、硫醇、氨、胺等等)有反应性。亲核化合物的引入能够合成新材料。在这些实验中选择SMA是因为其容易与胺反应。
合成了两种具有悬空胺的呋喃酮化合物5-(2-(2-氨基乙氧基)乙氧基)甲基)-2(5H)呋喃酮和4-(2-(2-氨基乙氧基)-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮，被称为呋喃酮1和呋喃酮2。
ATR/FTIR光谱
使用ATR/FTIR光谱以确认呋喃酮部分在SMA上的成功固定。图1比较了原始SMA的ATR/FTIR光谱和呋喃酮1修饰的SMA的ATR/FTIR光谱。在1185cm-1处的吸收峰为酰胺伸缩的特征峰。大约1694cm-1处的形成的酰亚胺基团确证了酰亚胺化步骤并且是不对称和对称C＝O伸缩振动的特征峰。在1853cm-1处峰的完全消失表明酸酐环的完全转化。在1576cm-1处和大约1500cm-1处的信号分别由芳香环的(C＝C)伸缩和芳香环的(C–H)弯曲振动引起。在916cm-1处的带归因于环状酸酐基团。
纳米纤维的形态学
SMA/呋喃酮1和SMA/呋喃酮2纳米纤维都显示光滑的形态学，没有溶剂珠(solventbeading)。这些垫中单个纤维具有120至220nm的直径(图2A和2B)。虽然在过滤器应用中没有针对纳米纤维材料的特定直径范围，但是根据过滤理论，较小的纤维直径给出更好的过滤效率。这是因为较薄的纤维导致高的表面积和容积之比，这有利于过滤应用。这是良好的性质因为其增加用于水过滤的表面积。这些纳米纤维膜还具有120nm2以下的平均孔隙大小(图2C和2D)。垫孔的大小对于该研究非常重要，因为为了测量抗微生物功效的准确性，所述孔必须小于所研究细菌菌株的大小。记录的孔隙大小都在250nm2以下，因此适合于进一步试验。
相比于，例如，由本领域已知的聚苯乙烯-呋喃酮聚合物形成的高分子的熔体成型形成的固态盘，本发明的纳米纤维材料提供高表面积的显著优势，事实上纳米纤维材料能够轻易用于涂层以及过滤应用。
抗微生物和细胞粘附抑制的测定
在暴露30分钟之后，SMA/呋喃酮1纳米纤维在铜绿假单胞菌Xen5、大肠杆菌Xen14、鼠伤寒沙门氏菌Xen 26、金黄色葡萄球菌Xen 36和肺炎克雷伯菌Xen 39种群中显示出高达1.1log的下降(图3A)。这些纳米纤维在最初的15分钟之后显示的抗微生物活性导致所有菌株的细菌种群中0.5log的下降，并且在暴露30分钟之后逐渐增加，由此获得至少1log的下降。在36小时后，这些纳米纤维还抑制菌株铜绿假单胞菌Xen 5、大肠杆菌Xen 14、鼠伤寒沙门氏菌Xen 26、金黄色葡萄球菌Xen 36和肺炎克雷伯菌Xen 39的细胞粘附至少2.5log(图3B)。
具有2(5H)母核的游离呋喃酮衍生物已经证明对抗细菌菌株甚至真菌的抗微生物活性。在区域抑制试验中，4-氨基-5-羟基-2(5H)-呋喃酮证明对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌和肠杆菌属的平均10mm抑制。及其同事所作的工作还显示该类呋喃酮化合物显著降低小鼠中铜绿假单胞菌肺感染。即使这些研究没有使用类似技术以定量抗微生物和细胞粘附抑制功效，但其令人信服地显示具有2(5H)母核的呋喃酮衍生物具有抗微生物性质。
暴露30分钟之后，由SMA/呋喃酮2制成的纳米纤维对铜绿假单胞菌Xen 5种群显示高达4log的下降，紧随着显示高达3.4log的下降的鼠伤寒沙门氏菌Xen 26(图7A)。暴露30分钟之后，大肠杆菌Xen14、金黄色葡萄球菌Xen 36和肺炎克雷伯菌Xen 39都显示至少2.5log的下降。在最初的5分钟之后所有菌株下降多于2log。经历36小时暴露后SMA/呋喃酮2纳米纤维对所有菌株还抑制细胞粘附高达3log(图4B)。对具有3(2H)母核的合成的和天然的呋喃酮衍生物的抗微生物功效已经进行了大量的研究。最令人感兴趣的报告之一是由Kataoka发布的，其中他研究了日本酱油的组成，除其他性质外已经发现抗微生物和抗致癌性质。已经发现该酱油包含4-羟基-2(或5)-乙基-5(或2)-甲基-3(2H)-呋喃酮(HEMF)、2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)-呋喃酮(DMHF)和4-羟基-5-甲基-3(2H)-呋喃酮(HMF)。在接触4-6小时内，该酱油已经证实对菌株金黄葡萄球菌、志贺菌属、霍乱弧菌、沙门氏菌属和大肠杆菌高达3log的下降。类似的研究还证实对肺炎克雷伯菌Xen 39、金黄色葡萄球菌Xen 36、大肠杆菌Xen 14、铜绿假单胞菌Xen 5和鼠伤寒 沙门氏菌Xen 26种群高达4.5log的下降。Sung及其同事还报道了DMHF对菌株铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和肠球菌超常的抗微生物功效。
在暴露于包含铜绿假单胞菌Xen 5、大肠杆菌Xen 14、鼠伤寒沙门氏菌Xen 26、金黄色葡萄球菌Xen 36和肺炎克雷伯菌Xen 39细胞的混合菌株培养物30分钟之后，包含呋喃酮2的SMA纳米纤维获得高达3.75log的抗微生物活性(图8A)。用呋喃酮1修饰的那些另一方面获得约2log的下降。图5B阐明相比于用呋喃酮1修饰的那些(其证实1.2log的抑制)，衍生自呋喃酮2修饰的SMA的纳米纤维显示出更高的细胞粘附抑制功效(3log)。
生物发光成像
在暴露于铜绿假单胞菌Xen 5、大肠杆菌Xen 14、鼠伤寒沙门氏菌Xen 26、金黄色葡萄球菌Xen 36和肺炎克雷伯菌Xen 39的混合菌株培养物之后，进行纳米纤维垫的体内成像以确认由板计数获得的结果。与由SMA/呋喃酮1制备的纳米纤维垫相比，由SMA/呋喃酮2制备的纳米纤维垫证实了更高的抗微生物潜能(图6)。
荧光显微镜学
在图7中，显示了对活/死的细胞进行染色之后的荧光显微镜学。对照SMA图像表明没有抗微生物或细胞粘附抑制能力，其中与它们附着的菌落没有吸收碘化丙啶(红色)染料，这表示细胞死亡(图7A1和7A2)。呋喃酮修饰的纳米纤维证实细胞粘附的抑制，因为没有定植是可见的(图7B和7C)。这些结果还确认了细胞的失活并且这由设法附着于纳米纤维但失活(吸收红色染料表明细胞死亡)的菌落所表明(图7B2)。
浸出
进行GC-MS实验以考察呋喃酮衍生物从纤维中的浸出。如对共价结合化合物所预期，GC-MS结果表明呋喃酮化合物没有浸出到过滤水中。在所有浸出实验中都缺少在阳性对照(呋喃酮衍生物加标)中11.59分钟处所观察到的特征信号(图8)。
鉴于现有高分子化合物，其中呋喃酮分子偶联至聚苯乙烯主链并且显示在65至85天之间的呋喃酮分子的浸出，这些结果是有前途的。
由上面明显看出呋喃酮修饰的SMA证实了良好的对抗单独地以及混合细胞培养形式的铜绿假单胞菌Xen 5、大肠杆菌Xen 14、鼠伤寒沙门氏菌Xen 26、金黄色葡萄球菌Xen36和肺炎克雷伯菌Xen 39的抗微生物和细胞粘附抑制功效。
应当理解存在落入本发明范围的其它化合物。而且，不需要用本发明化合物纺丝纳米纤维并且可以任何合适的方式，包括表面涂层、浸渍等等使用它们。

Claims (10)

1.一种具有细菌粘附抑制性质的高分子化合物，其具有下式
其中R选自
且其中取代基R1、R2、R3和R4中的至少一个为连接至高分子主链的连接基团，并且其余的取代基为一个或多个氢原子、卤素、烷基或芳基。
2.根据权利要求1所述的高分子化合物，其中所述连接基团为烷基链。
3.根据权利要求1所述的高分子化合物，其中所述连接基团为低聚(环氧乙烷)((CH2-CH2-O)i)部分，其中i＝2。
4.根据权利要求1所述的高分子化合物，其中在高分子主链中每个R相同或不同。
5.根据权利要求1所述的高分子化合物，其中R为
6.一种纳米纤维材料，其包含具有细菌粘附抑制性质的高分子化合物，所述高分子化合物具有下式
其中R选自
且其中取代基R1、R2、R3和R4中的至少一个为连接至高分子主链的连接基团，并且其余的取代基为一个或多个氢原子、卤素、烷基或芳基。
7.根据权利要求6所述的纳米纤维材料，其中所述连接基团为烷基链。
8.根据权利要求6所述的纳米纤维材料，其中所述连接基团为低聚(环氧乙烷)((CH2-CH2-O)i)部分，其中i＝2。
9.根据权利要求6所述的纳米纤维材料，其中在高分子主链中每个R相同或不同。
10.根据权利要求6所述的纳米纤维材料，其中R为
CN201380035750.6A 2012-07-20 2013-07-19 具有细菌粘附性质的包含呋喃酮的高分子化合物 Expired - Fee Related CN104662053B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ZA2012/05454 2012-07-20
ZA201205454 2012-07-20
PCT/IB2013/055948 WO2014013475A1 (en) 2012-07-20 2013-07-19 A furanone containing polymer compound with bacteria-adhesion properties

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104662053A CN104662053A (zh) 2015-05-27
CN104662053B true CN104662053B (zh) 2017-03-08

Family

ID=49485755

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201380035750.6A Expired - Fee Related CN104662053B (zh) 2012-07-20 2013-07-19 具有细菌粘附性质的包含呋喃酮的高分子化合物

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9457321B2 (zh)
EP (1) EP2875057B1 (zh)
JP (1) JP2015525817A (zh)
KR (1) KR20150051991A (zh)
CN (1) CN104662053B (zh)
AU (1) AU2013291546B2 (zh)
WO (1) WO2014013475A1 (zh)
ZA (1) ZA201500944B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110724654B (zh) * 2019-11-22 2020-09-29 南京科技职业学院 一株生产5-羟甲基-2呋喃甲酸的铜绿假单胞菌及其应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3748144A (en) * 1972-02-07 1973-07-24 Eastman Kodak Co Photographic compositions comprising light sensitive polymers

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60217195A (ja) * 1984-04-12 1985-10-30 Mitsubishi Paper Mills Ltd 感熱記録シ−ト
JPS6393774A (ja) * 1986-10-09 1988-04-25 Sumitomo Chem Co Ltd ４−アミノ−２（５ｈ）−フラノン誘導体の製造法
AUPP297898A0 (en) * 1998-04-16 1998-05-07 Unisearch Limited Production of furanones
AUPQ681200A0 (en) * 2000-04-10 2000-05-11 Unisearch Limited Antimicrobial coatings
GB0123232D0 (en) * 2001-09-26 2001-11-21 Smith & Nephew Polymers
CA2652021A1 (en) 2006-05-15 2007-11-22 Tyco Healthcare Group Lp Furanone endcapped polymers
DE102006050650A1 (de) * 2006-10-24 2008-04-30 Henkel Kgaa Leistungsgesteigerte kosmetische Mittel, insbesondere Haarbehandlungsmittel mit Polymeren
CN102791751A (zh) * 2010-02-04 2012-11-21 斯泰伦博斯大学 抗菌的聚合化合物及其纤维

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3748144A (en) * 1972-02-07 1973-07-24 Eastman Kodak Co Photographic compositions comprising light sensitive polymers

Also Published As

Publication number Publication date
AU2013291546A1 (en) 2015-03-05
WO2014013475A1 (en) 2014-01-23
US9457321B2 (en) 2016-10-04
CN104662053A (zh) 2015-05-27
AU2013291546B2 (en) 2015-10-01
WO2014013475A9 (en) 2014-03-27
EP2875057A1 (en) 2015-05-27
JP2015525817A (ja) 2015-09-07
EP2875057B1 (en) 2016-11-02
US20150202574A1 (en) 2015-07-23
ZA201500944B (en) 2015-12-23
KR20150051991A (ko) 2015-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bai et al. AIEgens for microbial detection and antimicrobial therapy
Magana et al. Options and limitations in clinical investigation of bacterial biofilms
Ngernpimai et al. Rapid identification of biofilms using a robust multichannel polymer sensor array
Shi et al. Aggregation-induced emission-based ionic liquids for bacterial killing, imaging, cell labeling, and bacterial detection in blood cells
CN110790698A (zh) 一种深红/近红外多功能聚集诱导发光材料及其制备方法和应用
Bala Subramaniyan et al. Revealing the significance of the glycan binding property of Butea monosperma seed lectin for enhancing the antibiofilm activity of silver nanoparticles against uropathogenic Escherichia coli
CN104819966B (zh) 杯芳烃荧光探针应用于活细胞中Zn2+、F-荧光成像的方法
CN108117544A (zh) 一种可逆二氧化硫/亚硫酸（氢）盐的荧光探针
Gule et al. Furanone-containing poly (vinyl alcohol) nanofibers for cell-adhesion inhibition
CN104662053B (zh) 具有细菌粘附性质的包含呋喃酮的高分子化合物
Garg et al. In situ spatiotemporal SERS measurements and multivariate analysis of virally infected bacterial biofilms using nanolaminated plasmonic crystals
Pang et al. Synthesis of a fluorescent ethyl cellulose membrane with application in monitoring 1-naphthylacetic acid from controlled release formula
CN107501073A (zh) 樱草素衍生物及其合成方法和应用
Gule et al. Immobilized Furanone Derivatives as Inhibitors for Adhesion of Bacteria on Modified Poly (styrene-co-maleic anhydride)
Hayashida et al. Stimuli-responsive supramolecular coaggregation and disaggregation of host–guest conjugates having a disulfide linkage
Sun et al. A water-soluble and biocompatible chitosan-based fluorescent probe for real-time monitoring formaldehyde in living cells and zebrafish
CN107118206A (zh) 一类喹啉‑二吡啶衍生物Zn2+荧光探针及其应用
Zhu et al. Spatiotemporally resolved tools for analyzing gut microbiota
JP6957064B2 (ja) 微生物叢の分析方法
CN115417815A (zh) 一种靶向线粒体检测粘度的荧光探针及其应用
CN111039897B (zh) 荧光探针及其在检测自噬溶酶体中的用途
CN103554103B (zh) 吲哚[3,2-c]喹啉类化合物或其药学上可接受的盐及其制备方法和应用
Weiss et al. Fluorescent Antimicrobial Peptides Based on Nile Red: Effect of Conjugation Site and Chemistry on Wash-Free Staining of Bacteria
CN108530345A (zh) 一种具有聚集诱导发光特性的鎓盐化合物及其制备方法和应用
Bielas et al. Rhodamine-Tagged Polymethacrylate Dyes as Alternative Tools for Analysis of Plant Cells

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170308

Termination date: 20170719