用于检测β-内酰胺酶的表面结合抗生素

抗微生物药物对于治疗和预防细菌感染至关重要。然而，曾经很容易治愈的感染正变得越来越难以治疗虽然抗菌素耐药性(AMR)的出现是细菌通过自然选择进化而不可避免的，但由于滥用和过度使用抗生素而增加的暴露量加速了全球抗菌素耐药性的发展。用于鉴定抗菌药物敏感性的传统方法可能需要几天才能完成，并且通常需要分离和培养致病菌为了保持抗菌药物的疗效，必须改进抗生素的处方做法，允许临床医生进行快速和可靠的敏感性试验。β-内酰胺类抗菌剂是最常用的抗生素之一作为对这些药物的防御，许多细菌能够产生酶来水解药物的药效团(β-内酰胺)，使药物失去活性。对这类抗生素的耐药性很常见，导致限制使用以前有效的抗生素，例如较早的几代青霉素。通过检测β内酰胺酶的存在(或不存在)，可以推断出给定感染对这些药物的敏感性，从而可以开出合适的抗生素。目前有许多方法可用于检测β-内酰胺酶，但这些仅限于液相测定。基于表面的β-内酰胺耐药检测将与一系列高灵敏度、低成本和无标签的即时诊断分析技术相兼容。

Lisa M. Miller等人¹报告了一种表面结合抗生素的发展，这种抗生素能够对β-内酰胺酶的存在做出反应，这与广泛的新兴表面敏感生物传感技术相兼容。表面结合的β-内酰胺被β-内酰胺酶水解表明对药物有耐药性。在这里，头孢氨苄(1)被确定为合适的固定底物。这种第一代头孢菌素广泛用于治疗细菌感染此外，存在于药物结构中的胺为添加远离药效团的化学系链(2)提供了理想的功能片段。这使得化合物可以固定在各种表面上，同时将对药物活性的影响降到最低。

图1 头孢氨苄- peg -马来酰亚胺的结构(2)。暴露于β-内酰胺酶之前(红色)和之后(蓝色)头孢氨苄- peg表面的PM-IRRAS光谱。

图2 QCM-D实验监测cephalexin-PEG(2)与SiO₂和Au传感器硫化表面的结合。每个解决方案的介绍由带标签的箭头和虚线表示。

头孢氨苄- peg功能化的Au表面的PM-IRRAS显示约1776 cm⁻¹的条带，与β内酰胺的羰基一致，证实固定化抗生素的药效团保持完整(图1)。成功制备头孢氨苄表面后，将样品浸入含有β内酰胺酶的磷酸钾缓冲液(KPi)溶液中，孵育2小时，使酶水解表面结合的头孢氨苄。PM-IRRAS显示β-内酰胺羰基带丢失，证实水解发生了(图1)。为了探索表面结合抗生素的多功能性，研究了两种不同的涂有Au或SiO₂的QCM-D传感器。Cephalexin-PEG(2)通过1,3-丙二硫醇形成的硫醇SAM固定在Au涂层传感器上。采用3-巯基丙基三乙氧基硅烷(MPTES)对SiO₂传感器进行表面化学处理。cephalexin-PEG(2)的表面浓度在Au和SiO₂涂层的传感器上是相当的(图2)。

综上所述，该工作详细介绍了一种表面结合抗生素的开发，能够检测尿中β-内酰胺酶的存在。利用PM-IRRAS和QCM-D进行的研究证实了β内酰胺酶对表面结合药物的成功水解，并证实了在没有这些酶的情况下药物表面的稳定性，甚至在尿液中也是如此。从抗生素功能化的Au和SiO₂表面获得的结果具有可比性，证明了该方法的通用性。这种多功能性可以利用新型头孢氨苄- peg(2)与广泛的当前和新兴的表面亲和生物传感器技术的整合，最终可以为合理和有针对性的抗生素处方提供循证诊断。

1.Miller, L. M.;  Silver, C. D.;  Herman, R.;  Duhme-Klair, A.-K.;  Thomas, G. H.;  Krauss, T. F.; Johnson, S. D., Surface-Bound Antibiotic for the Detection of β-Lactamases. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11 (36), 32599-32604.

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