多氮掺杂碳量子点（mN-CQDs）抗菌活性和抗菌机制及其生物毒性和生物分布的研究

Bacterial antibiotic resistance has become worldwide public health problem threat to human health. At present, the main antibiotics in clinical the traditional antibacterial/sterilization mechanism cannot effectively kill multiple drug-resistant bacteria and extensive drug-resistant bacteria. Therefore, the research and development of new antibacterial drugs is impending. We found the prepared more nitrogen doped carbon quantum dots (mN-CQDs) have certain bacteriostatic effect on Escherichia coli and Staphylococcus aureus. Preliminary experimental results showed that the surface charge of mN-CQDs does not affect fluorescence intensity, but affect antibacterial activity. To illustrate the antibacterial characteristics and biological characteristics of mN-CQDs, the project will determine the surface functional groups and the antibacterial spectrum of mN-CQDs, research the antibacterial activity and minimum bacteriostasis concentration of mN-CQDs in vivo and in vitro, investigate the antibacterial mechanism of mN-CQDs, pinpoint cell toxicity and damage for the organism of mN-CQDs, and study absorption, distribution, metabolism and excretion of mN-CQDs in vivo, etc. To solve the problem of bacteria resistance and development of antibacterial drug, the project provides new ideas and strategies, and reliable experimental data and research basis for mN-CQDs in vivo.

细菌抗生素耐药已成为目前威胁人类健康的全球性公共卫生问题，目前用于临床的主要抗生素以传统的抑菌/杀菌机制已不能有效地杀灭频繁出现的多重耐药细菌和泛耐药细菌。因此，新型抗菌药物的研发迫在眉睫。申请人在研究碳纳米材料的过程中发现所制备的多氮掺杂碳量子点（mN-CQDs）对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有一定的抑菌作用。预实验结果显示mN-CQDs表面基团电荷不影响其荧光强度，会影响其抗菌活性。为了阐明mN-CQDs的抗菌特点和生物特性，本项目将确定mN-CQDs表面的功能基团和mN-CQDs的抗菌谱，研究mN-CQDs的体内外抗菌活性及其最小抑菌浓度，并探讨mN-CQDs可能的抗菌机制，研究mN-CQDs的细胞毒性和对生物体的损伤，以及mN-CQDs在体内的吸收、分布、代谢和排泄等变化规律。为解决细菌耐药和抗菌药物研发提供新的思路和策略，并为mN-CQDs在体内的应用提供可靠的实验数据和研究基础。

在诸多碳纳米材料中，属于零维碳纳米材料的碳量子点具有独特的形态、大小、表面功能基团和物理化学特性，在制备过程中容易掺杂其他元素（如氮或氧），可以根据实验需求方便地设计和合成具有不同性质的碳量子点。碳量子点在异元素掺杂、表面修饰和水溶性方面具有明显的优势，并且还兼具较低生物毒性和良好生物相容性等特点。在面对新型抗菌药物研发的困境中，本项目以葡萄糖和二乙烯三胺、二烯丙基二甲基氯化铵和2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，以及葡萄糖和二烯丙基二甲基氯化铵为反应底物通过“一步法”分别合成了氮掺杂碳量子点（NCQDs）、季铵化碳量子点（QCQDs）和广谱抗菌季铵化碳量子点（bQCQDs）。NCQDs特异性地对葡萄球菌属具有抗菌活性，对MRSA的MIC最小，还原型谷胱甘肽能够增强NCQDs对葡萄球菌属的抗菌作用，而氧化型谷胱甘肽则不影响其抗菌活性。QCQDs选择性地对革兰氏阳性菌具有抗菌作用，MIC在5~20 μg/mL的范围内，bQCQDs则有广谱抗菌性质，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌皆有效，但对革兰氏阳性菌的MIC更小。NCQDs被用于治疗MRSA感染的创面大鼠模型，QCQDs被用于治疗MRSA感染的肺炎小鼠模型，以及bQCQDs被用于治疗混合菌感染的创面大鼠模型；与阳性对照药相比，三种碳量子点对相应的感染模型均有一定的治疗效果，并能促进感染部位炎症的消退。体外细胞毒试验显示，较高浓度的三种碳量子点对不同细胞具有一定的毒性作用，但体内试验未发现NCQDs和bQCQDs对大鼠的心、肝、脾、肺、肾以及QCQDs对小鼠的心、肝、脾、肺、肾产生病理性损伤和影响，并且在生理条件下QCQDs和bQCQDs不会引起溶血反应。选择特定的含氮化合物作为反应底物通过“一步法”合成具有不同抗菌活性的氮掺杂/季铵化碳量子点，为局部细菌性感染的治疗提供更多可选择的药物，拓展了碳量子点在医药卫生领域的研究和应用，并为具有特异性抗菌活性碳量子点的制备提供了简单的方法和新的策略，同时也为开发新型抗菌药物提供新思路。