单原子光催化剂—高效消除抗药性细菌并促进伤口愈合

为了解决耐药性细菌带来的问题，在天然抗菌酶的启发下，该研究报告了在鸟嘌呤衍生的纳米片（G-Cu）上原子掺杂的铜，它具有葡萄糖氧化酶和过氧化物酶的综合催化级联特性，在光照下产生自由基以消灭耐药性细菌。密度函数理论计算表明，铜可以明显促进G-Cu复合物上的氧活化和H2O2分裂。进一步的全原子模拟和实验数据表明，细菌的裂解主要是由细胞膜损伤和细胞内活性氧的升高引起的。最后，在小鼠模型中，G-Cu复合物有效地消除了感染伤口中的葡萄球菌，并加速了伤口的愈合，而对正常组织的副作用可以忽略不计。因此，G-Cu复合物可能为目前治疗细菌感染的方法提供一种有效的非抗生素替代物。

图1. G-Cu抗菌研究

在光照下，G-Cu复合物在葡萄糖溶液中具有产生•OH and •O2–的能力，在此鼓舞下，进一步评估了它们的抗菌活性。S. aureus Xen36和P. aeruginosa Xen41，两种生物发光和多药耐药菌株。观察到浓度依赖性的杀伤效率，浓度为12.50μg/mL的G-Cu复合物可以完全根除周围的细菌，远远优于其他复合物。有趣的是，与PBS处理的细菌相比，3.12μg/mL的低浓度G-Cu复合物诱导的菌落形成单位（CFU）减少了1个以上的对数，证明了这种级联酶促反应系统的抗菌功效。而在没有光照或葡萄糖的情况下，单独的G-Cu复合物没有显示任何抗菌性能。

图2. 葡萄糖氧化酶和过氧化物酶特性研究

同时，葡萄糖与光照的结合对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的生存能力的影响可以忽略不计。因此，这种策略在广泛的应用中是有用的，而且减少了诱发抗性的机会。为了证明G-Cu复合物在体内的杀菌效果，使用金黄色葡萄球菌Xen36构建开放性伤口感染模型。经过各种处理后，收集样本并进行分析，在第3天，测量小鼠伤口中的白细胞介素-6（IL-6）浓度，以调查炎症反应。经G-Cu/葡萄糖/光照处理的小鼠IL-6的炎症因子的表达明显减少，表明与其他组相比，炎症有缓解的趋势。同时，在7天的观察期内，接受G-Cu/glucose/light处理的伤口的生物发光强度迅速减弱，优于所有其他处理。大部分生物发光强度在使用G-Cu/葡萄糖/光照处理后的前2天内消失，明显优于其他处理。

图3. G-Cu体外抗菌研究

在第7天，对每个伤口的活菌进行了分析。G-Cu/glucose/light处理达到了99.9%的杀灭效率，优于所有其他处理。G-Cu/glucose/light组的小鼠皮肤组织显示出完整的表皮层，有许多再生的毛囊和少量的炎症细胞。相反，对照组的组织显示出明显的结痂（黑色箭头）和炎症细胞浸润（蓝色箭头）。G-Cu/glucose/light组在伤口位置的真皮组织中显示出有序排列的胶原蛋白沉积和比其他组更密集的血管结构。因此，更快的伤口愈合可能是由于快速消毒和炎症缓解的协同作用。

图4. 体内抗菌研究

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c11550

转自：“NANO学术”微信公众号

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