多壁碳纳米管作为可重复使用的绿脓菌素生产促进剂在抗癌研究中的应用

本研究针对绿脓菌素(PYO)传统生产方法效率低下的问题，通过实验设计(DoE)方法优化多壁碳纳米管(MWCNTs)对铜绿假单胞菌产PYO的刺激作用。研究发现MWCNTs可显著提高PYO产量(最高达421.02 μg/mL)，并通过CLSM和生理学分析揭示细菌-纳米材料相互作用机制。纯化的PYO对黑色素瘤细胞(A375)表现出选择性抗增殖活性(IC50=1.38 μM)，且MWCNTs可重复使用而不失活。该研究为开发高效、可持续的PYO生产平台提供了新策略，发表于《Applied Microbiology and Biotechnology》。

　　

在当今癌症治疗领域，微生物次级代谢产物因其独特的生物活性备受关注。绿脓菌素(Pyocyanin, PYO)作为一种由铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)产生的蓝色色素，近年因其显著的抗癌特性成为研究热点。然而，PYO的大规模生产面临两大瓶颈：一是缺乏标准化高效的生产方法，二是传统工艺成本高昂且不可持续。与此同时，多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs)作为新型纳米材料，在生物催化领域的应用潜力尚未充分挖掘。

针对这些挑战，西波美拉尼亚理工大学(West Pomeranian University of Technology in Szczecin)的研究团队开展了一项创新研究。他们发现MWCNTs能显著刺激PYO的生物合成，并通过系统优化建立了一套高效、可循环的生产体系。相关成果发表在《Applied Microbiology and Biotechnology》期刊，为微生物抗癌药物的工业化生产提供了新思路。

研究人员采用多学科交叉方法：通过实验设计(DoE)优化MWCNTs浓度(812 μg/mL)和培养温度(32°C)；利用CLSM观察细菌-MWCNTs相互作用；采用WST-1和LDH法评估PYO对A375黑色素瘤细胞的抗增殖活性；结合NMR和FT-IR验证产物纯度；创新性地建立了MWCNTs回收再利用流程。

主要研究结果：

MWCNTs对PYO生产的刺激作用优化

比较三种商业MWCNTs(SA、NC、ChT)发现，SA型在1000 μg/mL时PYO产量达88.79 μg/mL，较对照(7.12 μg/mL)提升12倍。TEM显示SA-MWCNTs具有独特的刚性管状结构(直径~90 nm)，可能与其高效刺激性能相关。

PYO吸附机制研究

实验证实PYO会部分吸附在MWCNTs表面(约20%)，但仅3%可通过常规方法解吸。这种不可逆结合可能通过干扰群体感应(QS)信号通路，解除PYO合成的反馈抑制。

优化培养的生理学特征

MWCNTs使PYO/生物量产量提升3.3倍(117.02 vs 35.44 μg/mg)，同时抑制铁载体pyoverdine的产生。DCFH-DA和SOD检测证实纳米材料未引起氧化应激，CLSM显示细菌围绕MWCNTs形成更厚的生物膜，蛋白质分泌增加。

PYO的抗癌特性

纯化的PYO对A375黑色素瘤细胞展现卓越选择性(IC₅₀=1.38 μM，SI=26.97)，作用72小时后仍保持>10的选择性指数。LDH实验证实其主要通过抗增殖而非细胞毒性发挥作用。

MWCNTs的重复利用

经过两次循环使用，MWCNTs仍保持刺激活性。表征显示回收后材料比表面积下降(25.74→4.5 m²/g)，但灰分含量增加(7.05%→32.64%)，XRD检测到KCl等无机盐残留，Raman光谱(I_D/I_G从0.26升至0.34)表明结构缺陷增多。

这项研究的意义在于：首次系统论证了MWCNTs作为PYO生产促进剂的可行性，建立了温度-浓度优化模型；揭示了纳米材料通过物理吸附和生物膜调控双重作用机制；证实了PYO对黑色素瘤的特异性抑制作用；开发的MWCNTs循环使用技术使生产成本降低约66%。该成果为微生物抗癌药物的工业化生产提供了可借鉴的技术路线，同时拓展了碳纳米材料在生物制造中的应用场景。未来研究可进一步解析MWCNTs影响细菌代谢通路的分子机制，并探索PYO与其他抗癌药物的协同效应。