苯硼酸和香叶醇共改性的壳聚糖寡糖衍生物通过靶向细菌来增强抗菌效果

《Carbohydrate Research》：Phenylboronic acid and geraniol co-modified chitosan oligosaccharide derivatives boost antibacterial efficacy by targeting bacteria

本研究成功合成苯基硼酸修饰的壳聚糖寡糖（PBA-COS-Ger），通过结构表征证实其分子结构。生物评价显示，PBA的引入显著增强了对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的靶向抗菌能力，低浓度（0.2 mg/mL）下抑菌率达73.10%，且在1.0 mg/mL时抑菌率接近100%。樱桃番茄防腐实验初步验证了其实际应用潜力，为开发高效生物基抗菌剂提供新思路。

　　

作者：石文婷、李瑞、方燕、黄张琪、岳琳、伊姆兰·马哈茂德·汗、王周平

江南大学食品科学与资源国家重点实验室，中国江苏省无锡市蠡湖路1800号，214122

摘要

壳聚糖寡糖（COS）衍生物作为抗菌剂具有显著潜力。我们之前开发的香叶醇（Ger）接枝壳聚糖寡糖（COS-Ger）表现出良好的溶解性和抗菌活性。为了进一步提高其效果，探索针对细菌的方法可能是一个有益的途径。因此，我们在此报道了一种新型的双功能衍生物——苯硼酸（PBA）和Ger共修饰的COS，通过将PBA策略性地整合到COS-Ger结构中。该衍生物的分子结构通过多种表征技术得到了验证。生物评估表明，PBA的引入显著增强了化合物的抗菌靶向性，从而显著提高了其抗菌性能。具体来说，在0.2 mg/mL的低浓度下，PBA-COS-Ger对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制率为73.10%，远高于COS-Ger（30.61%）。此外，在1.0 mg/mL浓度下，它对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌（E. coli）的抑制率均接近100%。这些结果清楚地表明，PBA的接枝极大地增强了COS-Ger的抗菌能力。通过樱桃番茄的保鲜实验初步验证了该衍生物的实际应用潜力。这种方法为高效、基于生物的抗菌剂的合理设计提供了一个概念性平台。

引言

抗生素耐药性的日益普遍已成为一个关键的全球公共卫生问题，这凸显了开发安全有效抗菌剂的紧迫性。在这种背景下，从天然几丁质中提取的COS作为一种环保且安全的生物材料受到了广泛关注，因为它具有生物相容性、可降解性和固有的广谱抗菌特性[1]、[2]、[3]。然而，COS的实际应用受到其相对较弱的抗菌性能的限制，这种性能主要依赖于与微生物细胞膜的静电相互作用[4]。

为了有效增强COS本身的弱抗菌活性，人们通过多种策略对其进行了改性，包括引入疏水基团[5]、[6]、与金属离子形成复合物[7]、[8]、[9]，以及接枝抗菌分子[10]、[11]、[12]、[13]，特别是植物来源的精油[14]、[15]。我们最近的综述[16]系统总结了这些方法，重点介绍了精油接枝技术的潜力。在此基础上，我们的团队成功开发了两种不同的COS-Ger衍生物[17]、[18]，其抗菌性能优于COS。尽管如此，COS-Ger的抗菌效果仍有很大的提升空间，为更有效的抗菌应用铺平了道路。

为了增强对细菌表面的特异性结合，人们设计了多种策略。这些策略包括与抗体[19]、抗菌肽[20]、凝集素[21]、[22]、适配体[23]等生物配体结合，以及与PBA等合成配体结合。其中，PBA因其能够与细菌细胞壁上的二醇丰富残基形成可逆的共价键而成为特别有前景的选择，具有广谱抗菌潜力。基于这一优势，我们将PBA引入COS-Ger结构中，开发出一种具有活性微生物靶向能力的新双功能衍生物。

最近的研究强调了PBA中的硼酸基团作为分子级“靶向剂”的潜在应用。它能够有效识别细菌细胞壁肽聚糖/脂多糖中的顺式二醇结构，从而促进特定共价键的形成。这种“锁定-击中”分子识别机制显著提高了传统抗菌剂对病原体的靶向效率[24]、[25]、[26]。它通过多种机制对食源性病原体（如金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）产生精确的抑制作用，包括破坏细胞壁完整性[27]、干扰跨膜物质运输[28]和抑制生物膜形成[29]、[30]。这种独特的分子识别机制使PBA修饰的化合物能够选择性地结合到微生物表面。

在我们之前的工作[17]、[18]的基础上，这些工作主要关注COS-Ger的合成和结构表征，并仅进行了初步的抗菌评估，本研究将PBA策略性地整合到COS-Ger分子结构中，得到了一种新型的双功能衍生物——PBA-COS-Ger。这种设计利用了PBA对细菌的亲和性进行主动靶向，同时保留了COS-Ger的固有抗菌活性。PBA-COS-Ger的成功合成和结构解析通过全面的表征得到了确认，包括傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外-可见光谱（UV-vis）、X射线衍射（XRD）、¹H核磁共振（¹H NMR）和扫描电子显微镜（SEM）。值得注意的是，我们使用了活菌/死菌染色实验来评估膜损伤，并利用SEM观察细菌的形态变化。此外，我们还通过樱桃番茄的保鲜实验探索了其实际应用潜力。这将我们之前的工作提升到了更深入的机制层面。这项工作为开发高性能、靶向性的抗菌材料提供了有力的策略，具有在食品保鲜和生物医学抗菌治疗中的巨大应用前景。

材料与试剂

COS（聚合度7，脱乙酰度97%），浙江金科山药业有限公司（中国浙江）；Ger（纯度>98%），N-(3-二甲基氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺（EDC）（纯度98%），Aladdin生物技术有限公司；PBA（纯度98%），北京百灵威科技有限公司；N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）（纯度99%），上海梅瑞尔生化科技有限公司；三溴化磷、吡啶、氢氧化钠、碳酸氢钠、二甲基亚砜（DMSO）

FT-IR

Ger和Ger-Br的FT-IR光谱如图S1所示。对于Ger，3300 cm^-1附近的峰是羟基的O-H伸缩振动。1668 cm^-1、2925 cm^-1和2969 cm^-1的峰分别对应于-C=C-、-CH₃和-CH₂的伸缩振动[39]。与Ger相比，Ger-Br在1200 cm^-1和585 cm^-1出现了新的峰，这可能与溴化作用产生的C-Br键的伸缩振动有关。此外，没有出现羟基的峰

结论

本文通过两步反应成功合成了PBA-COS-Ger。该衍生物保留了COS-Ger的有利特性，并表现出显著增强的抗菌活性。PBA接枝后，衍生物的细菌靶向能力得到提高，在相对较低的浓度（1.0 mg/mL）下即可实现完全抑制（100%的抑制率）。SEM成像清楚地显示，PBA-COS-Ger对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）表面的吸附更强

作者贡献声明

石文婷：撰写——初稿撰写、可视化处理、实验研究、数据分析。 伊姆兰·马哈茂德·汗：撰写——审稿与编辑。 黄张琪：撰写——审稿与编辑。 王周平：监督、资源协调、资金申请。 李瑞：撰写——审稿与编辑。 方燕：撰写——审稿与编辑。 岳琳：撰写——审稿与编辑、方法指导、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了江苏省农业科技创新基金（JASTIF）（CX(18)2025）的财政支持。