真菌能夠引起多種疾病，嚴(yán)重威脅著人類的健康。據(jù)統(tǒng)計，住院患者感染真菌的死亡率約為50％，全世界每年因為真菌感染會造成超過150萬人死亡。不僅如此，每年因為真菌破壞的食物足以養(yǎng)活6億人口。殺滅真菌如此之重要，迅速催生了一個每年全球總產(chǎn)值達(dá)300億美元的行業(yè)。目前，抗真菌只要依靠抗菌藥物和殺菌劑，在殺滅真菌的同時，也提高了其耐藥性，因此需要持續(xù)開發(fā)性能更好的抗菌藥物。
真菌一般需要附著在生物表面（如上皮細(xì)胞和葉子）和惰性表面（如醫(yī)療設(shè)備）上繁殖，才能引發(fā)感染。因此，防止真菌附著在生物表面也是一種抗真菌方法，但是這方面的研究和應(yīng)用并不多。這是由于真菌在表面的附著本質(zhì)上是一個被動過程，我們對真菌與不同表面相互作用的機(jī)制了解不多，因此很難設(shè)計出防止真菌附著的材料。
成果介紹
基于以上分析，諾丁漢大學(xué)Simon V. Avery教授課題組在高通量篩選了281種（甲基）丙烯酸酯聚合物后，發(fā)現(xiàn)兩種聚合物pAODMBA和pTEGMA可以減少人類病原體白色念珠菌、農(nóng)作物病原體灰葡萄孢菌的附著，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗真菌性能：在3D打印pAODMBA人工瓣膜表面上真菌的附著力，與標(biāo)準(zhǔn)的有機(jī)硅瓣膜相比降低了100%。用TEGMA聚合物溶液處理的葉片儲存3天后也沒有發(fā)現(xiàn)灰葡萄孢菌的感染跡象，即時用水反復(fù)沖洗葉片，仍能保持良好的抗真菌性。這是世界上第一個通過高通量篩選聚合物以實現(xiàn)抗真菌附著的高分子材料研究。
為了篩選抗真菌附著材料，研究者以打印微陣列的形式篩選了281種丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯均聚物。他們采用原子力顯微鏡（AFM）對所有聚合物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)90％的聚合物薄膜均方根（RMS）粗糙度小于4.0，平均模量為2.8±0.7 GPa。
研究者在這些聚合物上培養(yǎng)了兩種真菌：白色念珠菌（yCherry標(biāo)記）和灰葡萄孢菌（剛果紅染色），分別在2 h和6 h后確定材料的真菌附著性能。針對上述兩種真菌，研究者發(fā)現(xiàn)：3.9和1.1％的聚合物具有很高的真菌附著力（>中位附著值的1000％），2.5和3.9％的聚合物真菌附著力很低（<中值的10％），而且這兩種真菌具有不同的表面響應(yīng)特性。
為了研究這兩種真菌在聚合物表面的附著模型，研究者采用機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）方法評估了表面化學(xué)與每種真菌附著的關(guān)系，他們采用分子特征描述符和飛行時間二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）數(shù)據(jù)建立模型，采用XGBoost算法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)根據(jù)描述符建立的模型效果較好，亞甲基腈C-CN和羰基C=O基團(tuán)對白色念珠菌附著力最弱。最終，研究者篩選出了80種對這兩種真菌附著力最低的聚合物，其中27種對兩種真菌都有效果。
研究者繼續(xù)對篩選出的80種真菌附著力最低的聚合物研究其理化特性和生物學(xué)性能，真菌培養(yǎng)時間24 h，這樣就可以研究生物膜的附著性能。
發(fā)現(xiàn)對于白色念珠菌來說，有9種聚合物可以減少95％的生物膜附著；對于灰葡萄孢菌來說，有19種聚合物可以減少95％的生物膜附著；在篩選出的27種對上述兩種真菌都有效的聚合物中，有2種聚合物可以減少95％的生物膜附著。
研究者在對灰葡萄孢菌有效的19種聚合物上測試了絲狀真菌Z.tritici和巴西諾卡菌（A.brasiliensis）生物膜的形成，發(fā)現(xiàn)有15種聚合物對這三種絲狀真菌中的至少兩種有抗附著性能。
考慮到聚合物成本、化學(xué)性質(zhì)和毒性等因素，研究者選擇了9種聚合物：DEGMA和TEGMA（對兩種真菌有效）；AODMBA、tBCHMA、tBCHA和iDMA（僅對白色念珠菌有效）；mMAOES、DEGEEA和pEGPhEA（僅對灰葡萄孢菌有效）做進(jìn)一步研究。發(fā)現(xiàn)白色念珠菌的生長不受任何聚合物的抑制，在標(biāo)準(zhǔn)10％或100％上清液的條件下，與未涂覆孔相比，用這些聚合物涂覆孔的上清液對小鼠3T3細(xì)胞沒有表現(xiàn)出明顯毒性。pEGPhEA則會強(qiáng)烈抑制灰葡萄孢菌的生長，這可能是由介質(zhì)中殘留或浸出的有毒物質(zhì)（如單體或低聚物）引起的。
真菌在AODMBA聚合物上的附著行為
為了研究真菌在篩選出的聚合物上的附著行為，研究者以AODMBA聚合物為材料，采用3D打印技術(shù)制備了2種器件：3毫米直徑樣片和1.9厘米長的人工瓣膜，研究了白色念珠菌在其上的附著行為，并以PEG575DA材料打印的3D器件作對比。發(fā)現(xiàn)與PEG575DA相比，在AODMBA樣品上白色念珠菌的附著力降低了100％；在AODMBA瓣膜上真菌的附著力，比標(biāo)準(zhǔn)的有機(jī)硅瓣膜低得多，在某些瓣膜上附著力同樣降低了100%。這些結(jié)果表明AODMBA材料在臨床抗真菌性能上有潛在應(yīng)用價值。
真菌在葉子表面的附著行為
研究者又將篩選出的聚合物應(yīng)用于防止葉子被真菌感染的研究。發(fā)現(xiàn)在未噴涂聚合物的葉片上，2天后出現(xiàn)了明顯的真菌感染現(xiàn)象，而用TEGMA處理的葉片在3天后也沒有發(fā)現(xiàn)灰葡萄孢菌感染跡象，表現(xiàn)出良好的抗真菌感染性能。研究者在涂覆TEGMA后，用水反復(fù)沖洗葉片，然后接種真菌，發(fā)現(xiàn)3天后葉子仍然沒有感染跡象，表明這種聚合物涂層有良好的耐雨水沖刷性能，說明TEGMA聚合物在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。
小結(jié)
目前抗真菌普遍采用藥物抑制的方法，隨著真菌耐藥性的提高，抗真菌藥物的研發(fā)受到巨大挑戰(zhàn)，諾丁漢大學(xué)Simon V. Avery教授課題組另辟蹊徑，在高通量篩選了281種（甲基）丙烯酸酯聚合物后，發(fā)現(xiàn)9種聚合物對白色念珠菌和灰葡萄孢菌具有優(yōu)秀的抗附著效果。
研究者以AODMBA為原料采用3D打印技術(shù)制備了2種結(jié)構(gòu)：3毫米直徑樣片和1.9厘米長的人工瓣膜，發(fā)現(xiàn)與PEG575DA材料相比，在AODMBA樣品上白色念珠菌的附著力降低了100％；在AODMBA瓣膜上真菌的附著力，與標(biāo)準(zhǔn)的有機(jī)硅瓣膜相比附著力同樣降低了100%。
用TEGMA聚合物溶液處理的葉片在儲存3天后也沒有發(fā)現(xiàn)灰葡萄孢菌感染的跡象，用水反復(fù)沖洗葉片后仍然表現(xiàn)出優(yōu)秀的抗真菌感染性能。這一研究成果在臨床醫(yī)學(xué)以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。
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