TWI445698B - 生物膜控制 - Google Patents

Description

生物膜控制

本發明是關於包含一種或多種微生物之生物膜之組成物及方法。

生物膜為諸如細菌、古細菌、真菌、黴菌、藻類或原蟲或其混合物等微生物之黏質群落生長於多種表面上。當微生物於一表面上建立本身時，且活化涉及製造包括多醣類之基質的基因時形成生物膜。此種基質可對生物膜細菌提供保護免受殺生物劑之害。

稱作為治安感測信號(quorum－sensing signals)之分子可輔助透過細胞對細胞通訊/發訊而觸發且協調形成生物膜之部分處理程序。細菌持續性分泌低濃度的該等信號，透過於表面上或於內部的受體來感測該等信號。當有足量細菌來允許信號的濃度達到臨界值之時，受體觸發行為的改變。一旦發生此種現象，細菌以採行群體行為例如形成生物膜來回應，而於病原菌之情況下，則部署毒力因子諸如毒素來回應。除了與其本身種屬的成員通訊之外，細菌也進行種屬間的通訊，讓一生物膜可含有多於一種細菌種屬。

舉例言之，綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)廣泛分布於水中，也出現於土壤、污水及工廠。綠膿桿菌使用醯化高絲胺酸內酯類(HSL)作為細胞對細胞信號來控制其群體環境的各項功能，例如控制其棲息之生物膜。一種經過識別的綠膿桿菌之HSL信號為，當R為丙基時表示綠膿桿菌的「附接」信號。另一種經過別的綠膿桿菌之HSL信號為：，當R’為丙基時表示綠膿桿菌之「脫離」信號。

生物膜可發展成為厚數毫米或數厘米，且覆蓋大型表面積的巨觀結構。對於無生物物件而言，生物膜的形成可能於管路系統中扮演限制或完全阻塞流動的角色，於熱交換器中降低傳熱，或造成都市供水、食品加工、醫療器材(例如導管、矯形器材、植體)的病原問題。此外，生物膜經常透過所包埋的微生物媒介的腐蝕作用造成材料壽命的縮短。於工業用水處理系統、紙漿及紙張製造程序、冷卻水系統、石油回收的注入井、冷卻水塔、多孔媒質(砂石和土壤)、海洋環境、及空調系統以及任何密閉的水循環系統中，此種生物穢垢構成嚴重的經濟問題。生物膜於醫療科學及工業也構成嚴重問題，以及造成牙菌斑、感染、內視鏡污染及隱形眼鏡的污染、贋復裝置的聚生群落及醫療植體上的生物膜形成。

於其它領域中，生物膜可能相當有用。例如生物膜屬於人體的整合一體的一部分，特別有利於保護腸道避免受到有害細菌的攻擊。生物膜的有利應用之最佳實例之一係在廢水清潔方面解決一大問題。生物膜也可用來清除石油及汽油的潑濺。使用生物膜的生物補救技術已經萌芽成為於含有危險性廢料的多個位置清除地下水的技術選項。

多篇公開文獻描述針對水處理之組成物及方法，致力於摧毀生物膜及其中所攜帶的細菌。於某些鹵化殺生物水處理製品中使用二甲基尿囊素(DMH)。美國專利案6638959說明使用二溴二烷基尿囊素(DBDAH)例如二溴二甲基尿囊素(DBDMH)來處理與生物膜接觸或將與生物膜接觸的水。

儘管有關生物膜及細胞對細胞通訊的目前許多知識，仍然需要有商業上可行的利用細胞對細胞通訊來控制攜帶有細胞及其它污染物的生物膜的需求，而與該等污染物是否源自於水或源自於其它媒質無關。此外，儘管有市售鹵化殺生物劑可茲利用，但仍然需要有具有提升的生物膜控制能力之改良之鹵化殺生物劑。

本發明經由提供與包含一微生物之生物膜接觸而可滿足前述需求，其中模仿微生物之一細胞對細胞信號分子，R¹ 為氫原子或具有1至約14個碳原子之烴基，R² 獨立為具有1至約14個碳原子之烴基。本發明分子係設計成物理上及電學方面類似微生物之細胞對細胞信號分子，故本發明之分子可模仿細胞對細胞信號分子。也提供合成適合用於控制生物膜之之方法，其中R¹ 為氫原子或具有1至約14個碳原子之烴基，R² 獨立為具有1至約14個碳原子之烴基，該方法包含經由將酮與硫酸氫鈉、氰化鈉及碳酸銨組合來將酮轉成氰醇。也提供控制位於基質上與液體媒質接觸之生物膜之方法，其中該生物膜包含微生物，該方法包含於該液體媒質內導入，該化合物可模仿微生物之細胞對細胞信號分子，其中R¹ 為氫原子或具有1至約14個碳原子之烴基，R² 獨立為具有1至約14個碳原子之烴基，R¹ 及R² 可相同或相異。於若干實施例中，當R¹ 及/或R² 包含烴基時，烴基具有1至約6個、或3至6個碳原子。

如此處使用：(i)「生物膜」表示可生長於多種基質上之一黏質群落，該群落包含一種或多種微生物，例如細菌、古細菌、真菌、黴菌、藻類或原蟲類等；(ii)「基質」表示可形成生物膜或已經形成生物膜之任何表面，基質包括但非限於諸如聚合物、塑膠、管子、陶瓷、金屬、玻璃、羥基磷灰石、皮膚、骨骼、組織、及地理形成層諸如砂層等硬質或軟質表面；(iii)「控制/控制中」一生物膜表示造成至少部分生物膜的解離，防止生物膜的形成或既有生物膜的額外生長，及/或造成生物膜以更為期望之方式或更加期望之位置形成。包含生物膜之微生物的細胞對細胞信號分子係經由發送適當信號來控制該生物膜。舉例言之，一微生物之「脫離」信號發訊通知該微生物由一生物膜脫離，可能造成該生物膜的至少部分解離；微生物之「切勿附接」信號或「維持浮游」信號發訊通知該微生物來維持浮游，而可防止生物膜的形成或既有生物膜的額外生長；微生物之「附接」信號發訊通知該微生物例如附接至一生物膜，於適當時間以及於適當位置發出訊號，可能造成生物膜以更佳期望之方式或於更佳期望的位置形成；以及微生物之「切勿脫離」信號或「維持附著」信號發訊通知一微生物來維持固著，而可防止至少部分生物膜解離。

本發明也提供與包含一微生物之生物膜接觸之，其中模仿微生物之一細胞對細胞信號分子，R³ 為氫原子或具有1至約14個碳原子之烴基，R⁴ 獨立為具有1至約14個碳原子之烴基，以及或為(i)X¹ 為氫原子或鹵原子，及X² 獨立為鹵原子，或為(ii)X² 為氫原子或鹵原子，及X¹ 獨立為鹵原子。本發明之本具體例係針對先前未知可模仿微生物之細胞對細胞信號分子之具有R³ 、R⁴ 、X¹ 及X² 之組合之新穎；及二溴二烷基尿囊素(DBDAH)及溴氯二烷基尿囊素(BCDAH)係由本發明之本具體例中排除。也提供合成適合用於控制生物膜之之方法，其中R³ 為氫原子或具有1至約14個碳原子之烴基，R⁴ 獨立為含1至約14個碳原子之烴基，以及或為(i)X¹ 為氫原子或鹵原子，及X² 獨立為鹵原子，或為(ii)X² 為氫原子或鹵原子，及X¹ 獨立無關地為鹵原子，該等方法包含經由將硫酸氫鈉、氰化鈉及碳酸銨組合而將酮轉成氰醇。也提供控制位於基質上與液體媒質接觸之生物膜之方法，其中該生物膜含有一微生物，該方法包含於該液體媒質內導入根據本具體例之，其可模仿微生物之一細胞對細胞信號分子，其中R³ 為氫原子或含1至約14個碳原子之烴基，R⁴ 獨立為具有1至約14個碳原子之烴基，以及或為(i)X¹ 為氫原子或鹵原子，及X² 獨立為鹵原子，或為(ii)X² 為氫原子或鹵原子，及X¹ 獨立為鹵原子。R³ 及R⁴ 可相同或相異。於若干具體例中，當R³ 及/或R⁴ 包含烴基時，烴基含1至約6、或3至6個碳原子。X¹ 及X² 可相同或相異。

本發明也提供與含有一微生物之生物膜接觸之組成物，該等組成物含有一可殺滅該微生物之分子及模仿該微生物之一細胞對細胞信號分子之，其中R¹ 為氫原子或具有1至約14個碳原子之烴基，R² 獨立無關地為含1至約14個碳原子之烴基。如於本具體例使用，可殺滅細菌之分子可包含任一種可殺滅細菌之分子，包含但非限於二溴二烷基尿囊素類(DBDAH)，溴氯二烷基尿囊素類(BCDAH)，及，其中R³ 為氫原子或具有1至約14個碳原子之烴基，R⁴ 獨立為具有1至約14個碳原子之烴基，以及或為(i)X¹ 為氫原子或鹵原子，及X² 獨立為鹵原子，或為(ii)X² 為氫原子或鹵原子，及X¹ 獨立為鹵原子。也提供殺滅諸如細菌之微生物，其中至少部分係棲息於與該液體媒質接觸之基質上之生物膜中之方法，該方法包含於該液體媒質中導入至少一種可殺滅該微生物之分子及模仿該微生物之細胞對細胞信號分子之，其中R¹ 為氫原子或具有1至約14個碳原子之烴基，R² 獨立為具有1至約14個碳原子之烴基。R¹ 、R² 、R³ 及R⁴ 各自為相同或相異。

本發明係藉特定具體例作說明。須了解本發明非僅限於此等特定具體例中之任一者。

於根據本發明之中，R¹ 及R² 係分別選擇以具有讓分子可模仿期望的細胞對細胞信號分子所需長度及電子學。僅供舉例說明之用，R¹ 及R² 中之任一者或二者可包含羰基或烷基。

於根據本發明之中，R³ 及R⁴ 係分別選擇以具有讓分子可模仿期望的細胞對細胞信號分子所需長度及電子學。僅供舉例說明之用，R³ 及R⁴ 中之任一者或二者可包含羰基或烷基。當分子意圖用於殺滅細菌時，X¹ 及X² 中之任一者或二者可包含可殺滅細菌之鹵原子，包括但非限於溴原子、氯原子、或碘原子。

於根據本發明之中，尿囊素核保有安定化附接於環內氮原子之鹵原子X¹ 及/或X² 的能力。依據X¹ 、X² 、R³ 及R⁴ 之組成而定，此種安定化可增或減。當X¹ 及X² 中之任一者或二者為溴時，產物溴胺不僅可保有鹵素並安定化鹵素，同時也可根據如下酸鹼平衡反應來呈活性HOBr釋放溴於水溶液：

根據本發明之，可經由將酮分子轉換成於5－碳上有相同配體基團之分子而合成，配體分子如同最初存在於酮羰基的側出基。其它途徑亦屬可能，故不應將之排除於本發明。

實施例

於下列實施例舉例說明本發明之分子中，R¹ 及R² 係對其尺寸、長度及電子特性作選擇，來讓該等分子大致上可與真正的細菌分子信號無法區別。

實施例1：5－甲基－5－乙基尿囊素

經由以亞硫酸氫鈉處理接著以氰化鈉處理來將2－丁酮轉換成為中間產物氰醇(I)。中間產物氰醇(I)與碳酸銨混合，經溫熱來形成粗產物5－甲基－5－乙基尿囊素(II)，其係藉標準結晶及再結晶操作來分離及純化。

實施例2：5－甲基－5－丙基尿囊素

使用類似實施例1所使用之方法，2－戊酮轉成中間產物氰醇(III)，及最終轉成期望之5－甲基－5－丙基尿囊素(IV)。

實施例3：5,5－二乙基尿囊素

使用類似實施例1所使用之方法，1,3－戊酮轉換成對稱性中間產物氰醇，最後轉換成期望之5,5－二乙基尿囊素。

實施例4：5－甲基－5－庚基尿囊素

使用類似實施例1所使用之方法，2－壬酮轉換成期望產物5－甲基－5－庚基尿囊素。

實施例5：5－(1,1,1－三氟甲基)－5－甲基尿囊素

使用類似實施例1所使用之方法，中間產物1,1,1－三氟丙酮氰醇轉換成5－(1,1,1－三氟甲基)－5－甲基尿囊素(V)，此時R³ 為正甲基。

實施例5舉例說明本發明包括摻合氟化烷基，諸如所示三氟甲基取代基或其它甚至更複雜的修改。相信於經取代之尿囊素配體中存在有深度負電性基團將對於接受處理之生物系統中欲中繼的信號類別產生同等驚人的擾亂。

根據本發明之組成物本身的表現可作為氧化殺生物劑。例如溴胺類為殺生物劑。其它具體例諸如氯胺類雖然無法如同溴胺類般可作為有效殺生物劑，但仍然為細菌的刺激劑，某些情況下也提供殺生物作用。經氯化或混合氯及其它種類的鹵素預期可提供緩慢或長期殘留殺生物控制功效。

雖然已經就一個或多個較佳具體例說明本發明，但須了解可未悖離如下申請專利範圍所陳述之本發明之範圍作出其它修改。

Claims (3)

1. 一種之用途，其係用以控制包含有微生物之生物膜，其中該係與該生物膜接觸且模仿該微生物之細胞對細胞信號分子(cell-to-cell signal molecule)，及其中R¹ 包含氫原子或具有1至約14個碳原子之烴基，R² 獨立地包含具有1至約14個碳原子之烴基。
2. 一種組成物之用途，其係用於控制包含微生物之生物膜，其中該組成物係與該生物膜接觸，且包含能夠殺滅該微生物的分子以及模仿該微生物之細胞對細胞信號分子之，其中R¹ 包含氫原子或具有1至約14個碳原子之烴基，R² 獨立地包含具有1至約14個碳原子之烴基。
3. 如請求項2之用途，其中該能夠殺滅微生物的分子為，其中R³ 包含氫原子或具有1至約14個碳原子之烴基，R⁴ 獨立地包含具有1至約14個碳原子之烴基， 以及(i)X¹ 包含氫原子或鹵原子，及X² 獨立地包含鹵原子，或者(ii)X² 包含氫原子或鹵原子，及X¹ 獨立地包含鹵原子。