Angew. Chem. ：如何设计纳米抗菌剂对抗耐药微生物？

细菌耐药性的广泛传播已成为全球面临的一个极具挑战的健康问题。世卫组织预测，2050年耐药菌感染引发的全球死亡人数将达到3.5亿。但是新型抗生素的研发目前几乎停滞。近年来，纳米材料因其独特的抗菌性能受到广泛关注，已有超过400种报道的纳米抗菌剂。研究表明纳米抗菌材料可以有效杀伤耐药细菌且不引发耐药性进化。但是，也有报道发现某些纳米抗菌材料会引发细菌耐药性的进化与传播（图1）。

图1 纳米抗菌剂对细菌耐药性进化的影响

该综述首先系统比较了纳米抗菌材料和传统抗生素的杀菌机制和构效关系，概述了纳米材料抗菌机制中的六种关键分子起始事件（图2）：a) 破膜损伤；b) 破坏电子传递链；c) 催化损伤；d) 阻止细胞分裂；e) 离子杀伤和f) 纳米聚集介导的细菌捕获。上述分子起始事件决定了纳米抗菌材料的杀菌效率、选择性及应用潜力。

图2 纳米材料抗菌机制的关键分子起始事件

接下来，该论文总结了纳米-细菌相互作用引发耐药性进化的机制：a) 改变细菌适应性，如水平基因转移、膜孔减少、外排通道增加、胞膜重塑；b) 失活纳米材料，如离子沉淀、纳米材料聚集和降解（图3）。文献分析结果表明纳米抗菌材料是否会引发耐药性进化与其理化性质和杀菌机制密切相关。

图3 细菌对抗菌纳米材料产生的耐药机制

最后，为了遏制纳米材料引发的耐药性进化，该综述提出了纳米抗菌材料的设计原则（图4），包括：①设计具有多重正交杀菌机制的纳米复合材料，如氧化损伤保守结构分子、催化损伤关键代谢产物、非共价结合细菌膜组分；②修饰响应型功能分子实现可控杀菌效应，如pH响应、磁响应、光热响应、酶响应等；③接枝靶向配体实现精准杀菌，如具有识别功能的多肽、多糖或蛋白质；④掺杂/表面改性抑制金属离子释放，包括表面涂层、核壳构造和元素掺杂。此外，该工作分析了纳米抗菌剂所面临的挑战，包括选择性差、杀菌效率低、生物安全性和稳定性差等问题。针对这些挑战，论文展望了三个纳米抗菌剂发展的新方向，包括开发纳米佐剂高效对抗耐药细菌；发展纳米酶催化阻断细菌间通讯抑制耐药性进化；设计纳米抗生素提高选择性。

综上，该综述回答了纳米抗菌研究领域一些争议性的问题，为纳米抗菌技术的可持续发展提供了新思路。

图4 对抗细菌耐药性进化的纳米抗菌材料的设计原则

论文信息

Antibacterial Nanomaterials: Mechanisms, Impacts on Antimicrobial Resistance and Design Principles

Maomao Xie, Meng Gao, Yang Yun, Martin Malmsten, Vincent M. Rotello, Radek Zboril, Omid Akhavan, Aliaksandr Kraskouski, John Amalraj, Xiaoming Cai, Jianmei Lu, Huizhen Zheng, Ruibin Li

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202217345