CN110028553B - 一种抗菌纳米探针Au-PEG-AMP-Ce6的制备方法和应用 - Google Patents
一种抗菌纳米探针Au-PEG-AMP-Ce6的制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于金属纳米材料技术领域,具体公开了一种抗菌纳米探针Au‑PEG‑AMP‑Ce6。通过Au‑S键将Ce6标记的序列为GKRWWKWWRRC的抗菌肽连接到Au上,并加入PEG作为稳定剂。引入光敏剂Ce6进行PDT抗菌,利用它在激光的照射下,产生活性氧(ROS),导致微生物分子的氧化并导致细胞损伤和死亡,与抗菌肽(AMP)产生协同作用。本发明制备的抗菌纳米探针Au‑PEG‑AMP‑Ce6具有较传统抗菌肽更优异的抗菌性能,并且与纳米金具有良好的生物相容性,对机体细胞的正常生理活动干扰小,毒性低,安全性高。
Description
技术领域
本发明属于金属纳米材料技术领域,具体涉及一种具有抗菌性能以及光动力治疗的新型纳米探针Au-PEG-AMP-Ce6的制备方法和应用。
背景技术
随着科技的发展,生活水平的提高,人们对自身居住、工作、生活的环境卫生要求也日益提高,由此促进了抗菌技术和抗菌材料的快速发展,纳米抗菌材料便是其中重要的一种。纳米抗菌材料是一类具备抑菌性能的新型材料,具有比表面积大、反应活性高等优点,可以使微生物包括细菌、真菌、酵母菌、藻类以及病毒等的生长和繁殖保持较低的水平,从而大幅提高材料的抗菌性。
近些年大量耐药细菌及多重耐药细菌不断的出现。细菌自发的耐药突变与抗生素的筛选及病原菌的环境适应能力,是临床耐药细菌和多重耐药细菌产生的基础。抗菌肽(AMPs)有着传统抗生素无可比拟的优势,其抗菌机制独特,杀菌作用迅速且不易引发细菌的耐药性,是一类极具潜力的抗菌药物。
光动力治疗是指在特定激发波长的照射下,光敏剂产生活性氧(ROS),ROS会对生物分子(蛋白质、脂质和核酸)产生氧化作用,导致细胞死亡。光动力治疗产生作用主要基于以下三点:光敏剂(PS)、光和氧气,这三种组分的相互作用导致产生活性氧(ROS)。随着科学技术的不断发展,制备纳米级光敏剂或者将光敏剂负载在纳米材料上进行杀菌,被称为纳米光动力杀菌技术,近年来受到了广泛的关注。但是,现有的光敏剂负载在纳米材料上,仅仅依靠光敏剂杀菌,杀菌效果不明显。
发明内容
为了解决现有技术中的不足,本发明将抗菌肽与光敏剂同时固定在纳米粒子表面,提供一种Au-PEG-AMP-Ce6复合纳米抗菌材料,本发明制备的抗菌复合材料能明显提高纳米粒子的抗菌效果,在抑菌、杀菌领域均有广泛的应用前景。
本发明的具体技术方案如下所述:
抗菌纳米探针Au-PEG-AMP-Ce6由纳米金、抗菌肽、光动力治疗分子组成。
制备抗菌纳米探针Au-PEG-AMP-Ce6采用的纳米金(Au)为胶体金,由氯金酸还原制得,其最大吸收波长为520nm,粒径约为20nm,电位约为-30mV,如附图1所示。
抗菌肽GKRWWKWWRRC(简写AMP)采用常规的固相Fmoc法合成,即固相树脂上被Fmoc保护的单体氨基酸去保护后露出氨基,通过缩合反应与溶液中氨基酸的羧基形成肽键,从而将氨基酸连接到树脂上,使肽链从C端向N端延伸,直至合成所需肽链。
光动力治疗分子为光敏剂Ce6,Ce6标记抗菌肽的方法为:称取相当于带有多肽(序列为GKRWWKWWRRC)的树脂3倍摩尔量的Ce6、HOBT、EDC溶解于DMF中,加入DIEA避光过夜反应,最后用切割液将标记的多肽从树脂上裂解下来,经过HPLC进行纯化,并通过质谱进行分析。
本发明抗菌纳米探针的粒径为180nm,电位为30mV,形状为圆形。
本发明抗菌纳米探针的制备方法为,通过Au-S键将Ce6标记的抗菌肽(Ce6-GKRWWKWWRRC)连接到Au上,并加入PEG作为稳定剂,增加水溶性。
具体的制备方法为,在400μL胶体Au中加入20μL(400μM)SH-PEG(带巯基的PEG,分子量5000),放入摇床200r/min,30分钟。然后加入200-800μLAMP-Ce6(900μM),放入摇床250r/min,20小时。
经过激光照射之后,所述抗菌纳米探针出现了很强的荧光信号,产生单线态氧的粒径稳定。
本发明中引入光敏剂Ce6进行PDT抗菌,利用它在激光的照射下,产生活性氧(ROS),导致微生物生物分子的氧化并导致细胞损伤和死亡,与抗菌肽(AMP)产生协同作用,使得Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针具有较传统抗菌肽更优异的抗菌性能。
本发明制备的抗菌纳米探针在抑菌、杀菌领域均有广泛的应用前景。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明公开的方法制备得到的Au-PEG-AMP-Ce6纳米复合抗菌材料,具有较高的抗菌活性,可广泛应用于抑菌、杀菌领域中;本发明公开的制备工艺简单,原料来源广泛,反应条件温和,易于合成,适于推广使用。
附图说明
图1为Au、Au-PEG以及Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的粒径图。
图2为Au、Au-PEG以及Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的电位图。
图3为Ce6-GKRWWKWWRRC的高效液相色谱(HPLC)图。
图4为Ce6-GKRWWKWWRRC的质谱图。
图5为Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的TEM图。
图6为Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的粒径稳定性考察图。
图7为Ce6的光稳定性考察图。
图8为Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的光稳定性考察图。
图9为Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的单线氧测定图。
图10为Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针对金黄色葡萄球菌生长曲线的影响图。
图11为Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针对大肠杆菌生长曲线的影响图。
图12为Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针对金黄色葡萄球菌作用前后的染色图。
图13为Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针对大肠杆菌作用前后的染色图。
图14为不同浓度的AMP-Ce6(Ce6-GKRWWKWWRRC)溶液中金黄色葡萄球菌的存活率。
图15为不同浓度的AMP(GKRWWKWWRRC)溶液中金黄色葡萄球菌的存活率。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细阐述,但本发明不局限于这些实施例。
实施例1
1、纳米探针Au-PEG-AMP-Ce6的合成
(1)胶体金的合成
在装有冷凝器的1L圆底烧瓶中,在剧烈搅拌下将100mL 1mM HAuCl4加热至滚沸状态。向溶液的涡旋中快速加入10mL的38.8mM柠檬酸钠,继续煮沸10分钟,停止加热,继续搅拌15分钟。冷却至室温,得到胶体金。合成的胶体金,经水系滤膜(0.22μm)过滤之后,颜色为酒红色,且无沉淀。
注:所有的玻璃器皿都要洗干净,水都是超纯水。
(2)Ce6-GKRWWKWWRRC的合成
合成多肽GKRWWKWWRRC
多肽是基于带有Fmoc保护基团的2-Chlorotrityl Chloride树脂,通过固相多肽合成法得到。具体为:分别称取相当于树脂5倍摩尔量的氨基酸(经化学修饰的α-氨基酸)、HBTU、HOBT,溶于DMF中,加入DIEA耦合30min。然后加入20%哌啶反应30min脱去Fmoc保护基,重复此步骤直达合成所需的肽链。
光敏剂Ce6标记多肽
称取30mg树脂(上述合成的有肽链的树脂),和相当于树脂3倍摩尔量的Ce6、HOBT、EDC溶解于1mLDMF中,加入10μL DIEA避光过夜反应,最后用切割液将标记的多肽从树脂上裂解下来,HPLC纯化,分子量通过LC-MS确定,纯化图和质谱图如附图3和附图4所示。
(3)Au-PEG-AMP-Ce6的合成
在400μL胶体Au中加入20μL(400μM)SH-PEG(带巯基的PEG),放入摇床200r/min,30分钟。然后加入400μL AMP-Ce6(900μM),放入摇床250r/min,20小时。
2、Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的表征
1)透射电镜图
纳米探针的形貌与尺寸通过TEM观察,取10μL Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针,稀释100倍到1mL。然后滴10μL稀释后的纳米探针到碳支持膜铜网上,制备透射电子显微镜样品。效果见附图5。
2)Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的水合粒径和Zeta电位的测定实验
分别取20μL合成好的Au、Au-PEG(直接将SH与胶体金颗粒混合,反应20分钟即可)、Au-PEG-AMP-Ce6,用去离子水稀释至2mL。其中,1mL用于测水合粒径,1mL用于测Zeta电位。每组样品平行测定三次,并监测整个过程的变化。效果见附图1和附图2。
根据测定Au、Au-PEG、Au-PEG-AMP-Ce6的水合粒径和Zeta电位的变化情况,来判断每一步是否成功。由图可以发现,从最初的Au纳米颗粒到最终的Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针,其水合粒径逐渐增大,证明了PEG以及AMP-Ce6的成功偶联。图2是Zeta电位的变化情况,Zeta电位的变化也证明了Au纳米颗粒连接上了PEG和AMP-Ce6。
3)Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的粒径稳定性考察实验
为了探究Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针在去离子水里的稳定性,每天取10μL的Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针,用去离子水稀释至1mL,然后用动态光散射仪测定水合粒径,并且平行测定三次,连续测7天,监测Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的尺寸稳定性。效果见附图6。
由图看出Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的水合粒径在6天之内没有发生明显的变化,这说明了Au-PEG-AMP-Ce6具有较好的稳定性,其原因主要是在Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针上修饰了巯基聚乙二醇,大大提高了纳米探针的稳定性。
2、Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的光稳定性考察
分别配制10μg/mL的Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针(以Ce6浓度为标准)和Ce6标准溶液各300μL,于离心管中,纳米探针和Ce6各五管,用660nm激光器去照射各样品,照射时间分别为30s,1min,2min,5min,10min,激光器的功率密度是0.8W/cm2。光照完之后,用酶标仪分别扫描每个样品在350-800nm处的吸光度。
如附图7所示,经过激光照射之后,单独的Ce6在403nm和664nm处的吸光度值发生了显著的下降,说明Ce6在光照之后发生了明显的光漂白现象。而Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的吸光度值却下降得很少(附图8),表明将Ce6连接到Au纳米颗粒上之后,可以提高其光稳定性,从而增强了Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的光动力治疗的效果。
3、Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针单线氧的测定
由于在660nm激光的照射下,Ce6能够产生单线态氧(1O2),所以通过激光的照射来评价其光动力学性能。实验中采用指示剂SOSG来检测经过激光照射之后,Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针产生1O2的情况。首先用660nm激光器照射Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针(50μg/mL)5min,激光器的功率密度是0.8W/cm2。接着加入20μL、500μM的SOSG溶液,SOSG的激发波长为504nm,通过荧光光谱仪测定在525nm处的发射光谱,未经激光照射的样品作为对照组,并对照光照组和不光照组的光谱。
如附图9所示,经过激光照射之后,在540nm处出现了很强的荧光信号,而没有激光照射的组却没有出现荧光,这说明激光照射之后是有单线态氧产生的。
4、Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针的抗菌性能测试
1)Au-PEG-AMP-Ce6对细菌生长曲线的影响(两种菌)
为了探究Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针对细菌生长的影响,将过夜培养的S.aureus、E.coli细菌稀释至105CFU/mL,于96孔板中加入200μL的菌液,并加入10μL 100μM的Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针,用660nm的激光器照射样10min,不经激光照射和水作为对照组,每组做三个平行样。通过酶标仪测600nm处的吸光度,连续测12小时,然后根据测出的数据作图观察实验组和对照组细菌的生长情况。效果见附图10和附图11。
由图可知,共同孵育5小时后,对照组的OD600值已经达到1,而光照组的OD600值仅为对照组的1/2,大概为0.5左右(S.aureus),E.coli也表现出类似的效果。未光照组也表现出抑制作用,这是由于AMP作用引起的。说明Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针对细菌的生长有明显的抑制作用,且光照之后效果更好。
2)Au-PEG-AMP-Ce6处理后的细菌live/dead染色情况(两种菌)
为了探究Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针对S.aureus、E.coli细菌作用前后的染色情况,可通过live/dead试剂盒来实现。取70μL Au-PEG-AMP-Ce6(50μM)纳米探针分别加入到300μL浓度为109CFU/mL的S.aureus、E.coli菌液中,共同孵育30min后用近红外激光器(660nm,0.8W/cm2)照射细菌10min。未经激光照射的以及未加纳米材料的作为本实验的对照组。将包括对照组在内的三组样品,以5000rpm离心10min,弃上清,沉淀用30μL live/dead试剂染色,吹打均匀、涡旋后避光静置20min,最后取20μL样品滴在玻片上,用激光共聚焦显微镜观察。效果见附图12和附图13。
通过调节两种染料SYTO 9和propidium iodide的比例,可使具有完整细胞膜结构的细菌被染成绿色,但是当细菌细胞膜受损,就会被染成红色。比较实验结果可以发现,PBS组视野内S.aureus、E.coli细菌呈现出明亮的绿色,说明细菌仍然保持着较好的细菌活力,细菌细胞膜仍然保持着完整的结构,但是加入Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针后细菌呈现出明亮的红色,说明加入Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针后部分S.aureus、E.coli细菌已经被杀死,细胞膜被破坏,并且Au-PEG-AMP-Ce6纳米探针并光照后现象更明显,可见光照可以增强探针的杀菌效果。
对比实施例1
AMP-Ce6(Ce6-GKRWWKWWRRC)的MIC90值测定
用无菌水配制10μM、20μM、30μM、40μM、50μM、60μM、70μM、80μM的AMP-Ce6,取108CFU/mL的S.aureus菌液1mL与250μL的样品共同孵育1小时,稀释103,取100μL涂板,放入生化培养箱15小时,15小时后,对琼脂平板上长出的菌落数进行计数。每个样平行测定三次。效果见附图14。
对比实施例2
AMP(GKRWWKWWRRC)的MIC90值测定
用无菌水配制10μM、20μM、30μM、40μM、50μM、60μM、70μM、80μM的AMP,取108CFU/mL的S.aureus菌液1mL与250μL的样品共同孵育1小时,稀释103,取100μL涂板,放入生化培养箱15小时,15小时后,对琼脂平板上长出的菌落数进行计数。每个样平行测定三次。效果见附图15。
序列表
<110> 常州大学
<120> 一种抗菌纳米探针Au-PEG-AMP-Ce6的制备方法和应用
<141> 2019-04-26
<150> 2019103428555
<151> 2019-04-26
<160> 1
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 11
<212> PRT
<213> 2 Ambystoma laterale x Ambystoma jeffersonianum
<400> 1
Gly Lys Arg Trp Trp Lys Trp Trp Arg Arg Cys
1 5 10
Claims (6)
1.一种抗菌纳米探针Au-PEG-AMP-Ce6,其特征在于,所述的抗菌纳米探针由纳米金、抗菌肽、光动力治疗分子组成;
所述抗菌肽序列为GKRWWKWWRRC,由固相合成法制得。
2.根据权利要求1所述的抗菌纳米探针,其特征在于,所述纳米金为胶体金,由氯金酸还原制得,最大吸收波长为520 nm,粒径为20 nm,电位为-30 mV。
3.根据权利要求1所述的抗菌纳米探针,其特征在于,所述光动力治疗分子为Ce6,Ce6标记抗菌肽的方法为:称取相当于带有多肽的树脂3倍摩尔量的Ce6、HOBT、EDC溶解于 DMF中,加入DIEA避光过夜反应,最后用切割液将标记的多肽从树脂上裂解下来,经过HPLC进行纯化,并通过质谱进行分析。
4.根据权利要求1所述的抗菌纳米探针,其特征在于,所述抗菌纳米探针的粒径为180nm,电位为30 mV,形状为圆形。
5.一种根据权利要求1所述的抗菌纳米探针的制备方法,其特征在于,通过Au-S键将Ce6标记的抗菌肽 Ce6-GKRWWKWWRRC连接到Au上,并加入PEG作为稳定剂。
6.根据权利要求5所述的抗菌纳米探针的制备方法,其特征在于,在400 μL 胶体Au中加入20 μL SH-PEG,放入摇床200 r/min,30分钟,然后加入200-800 μL Ce6-GKRWWKWWRRC,放入摇床250 r/min,20小时,得到抗菌纳米探针。
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