防汚性ポリマーと天然の抗バイオフィルム分子を組み合わせた二重機能性表面。殺生物剤を使わずにバイオフィルムの形成を防ぐ

Dual-Functional Surfaces Based on an Antifouling Polymer and a Natural Antibiofilm Molecule: Prevention of Biofilm Formation without Using Biocides.

抄録

植込み型医療機器・材料の表面に形成される病原性バイオフィルムは、世界的に緊急の医療問題となっている。従来の抗菌剤を用いた表面処理では、バイオフィルムの形成をある程度遅らせることはできても、長期的に使用することはできず、一度形成された難治性のバイオフィルムを根絶することは困難であった。微生物学の観点からは、バイオフィルムの形成に関わる主要な生物学的プロセスを含むバイオフィルム形成の中間段階を標的とすることが有望な戦略となる。本研究では、2-ヒドロキシエチルメタクリレート（HEMA）と3-（アクリルアミド）フェニルボロン酸（APBA）のコポリマーブラシをベースに、酸応答性のボロン酸エステル結合を介してケルセチン（Qe、天然の抗バイオフィルム分子）を組み込んだ、二重機能を持つ抗バイオフィルム表面を開発した。親水性のポリ（HEMA）成分の防汚性により、得られた表面は、接触の初期段階で細菌の付着と凝集を抑制することができる。しかし、最終的には少数のバクテリアが付着防止層の保護を突破し、バクテリアのコロニー形成に至る。その結果として生じる微小環境のpH低下に対応して、表面はQeを放出し、バイオフィルム形成に関連する微生物学的プロセスを妨害することができる。この2つの機能を持つ表面は、殺菌性や粘着性のある表面と比較して、大幅に改善された抗バイオフィルム性能を示し、グラム陰性とグラム陽性の両方を含むバイオフィルムの形成を最大3日間防ぐことができた。さらに、共重合体とQeはともに細胞毒性がほとんどないため、隣接する正常な細胞への有害な影響や耐性菌のリスクを回避することができる。この2つの機能を持つデザインアプローチは、バイオフィルム形成のさまざまな段階に対応し、（バイオフィルムの成長過程に応じて）隣接する正常な細胞の生存率を損なうことなく、機能を順次活性化することができる。このようにして、様々な生物医学的用途における表面上のバイオフィルムに関連する問題に対して、シンプルで信頼性の高いソリューションを提供することができる。

Pathogenic biofilms formed on the surfaces of implantable medical devices and materials pose an urgent global healthcare problem. Although conventional antibacterial surfaces based on bacteria-repelling or bacteria-killing strategies can delay biofilm formation to some extent, they usually fail in long-term applications, and it remains challenging to eradicate recalcitrant biofilms once they are established and mature. From the viewpoint of microbiology, a promising strategy may be to target the middle stage of biofilm formation including the main biological processes involved in biofilm development. In this work, a dual-functional antibiofilm surface is developed based on copolymer brushes of 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and 3-(acrylamido)phenylboronic acid (APBA), with quercetin (Qe, a natural antibiofilm molecule) incorporated via acid-responsive boronate ester bonds. Due to the antifouling properties of the hydrophilic poly(HEMA) component, the resulting surface is able to suppress bacterial adhesion and aggregation in the early stages of contact. A few bacteria are eventually able to break through the protection of the anti-adhesion layer leading to bacterial colonization. In response to the resulting decrease in the pH of the microenvironment, the surface could then release Qe to interfere with the microbiological processes related to biofilm formation. Compared to bactericidal and anti-adhesive surfaces, this dual-functional surface showed significantly improved antibiofilm performance to prevent biofilm formation involving both Gram-negative and Gram-positive for up to 3 days. In addition, both the copolymer and Qe are negligibly cytotoxic, thereby avoiding possible harmful effects on adjacent normal cells and the risk of bacterial resistance. This dual-functional design approach addresses the different stages of biofilm formation, and (in accordance with the growth process of the biofilm) allows sequential activation of the functions without compromising the viability of adjacent normal cells. A simple and reliable solution may thus be provided to the problems associated with biofilms on surfaces in various biomedical applications.