南大朱俊杰/南工大陈晓君《AFM》：多模式协同广谱纳米杀菌平台加速细菌感染型伤口的愈合

细菌感染被认为是世界范围内主要的健康威胁之一，抗生素的出现终结了细菌感染的“黑暗时代”。然而，抗生素的长期使用以及杀菌途径缺乏新的突破，使得在治疗过程中细菌产生多药耐药性（MDR），显著削弱了抗生素的治疗效果。纳米材料由于其独特的理化特性，有望成为抗生素对抗超级细菌的替代品。目前，开发纳米材料抗菌策略面临的挑战主要在于缺乏靶向杀菌的特异性、单一氧化损伤容易产生MDR以及对健康细胞存在的潜在伤害等。因此，为了更高效的治疗活体伤口中的多细菌感染，一种能够进行广谱微生物识别，协同多种治疗模式，并尽量减少对周围组织的二次损伤的方法亟待开发。

近期，南京大学朱俊杰教授课题组与南京工业大学陈晓君教授课题组合作提出了一种多模式协同纳米杀菌平台（Asza），包括特异性识别多目标细菌以及协同氧化损伤和基因治疗，可以有效实现对四种感染细菌的广谱杀菌效果，并抑制细菌MDR的产生。该研究结合了特异性识别多靶标细菌的适配体、具有双酶活性的金纳米簇（Au NCs）及光敏剂（钛菁锌）和CRISPR基因治疗手段，实现对多细菌感染的活体伤口的高效、精准治疗。在此基础上，因为Au NCs的双酶活性，还避免了外加过氧化氢对健康细胞的继发性损伤。相关工作以“Synergistic Oxidative Damage with Gene Therapy Potentiates Targeted Sterilization of Broad-Spectrum Microorganisms”为题发表在Advanced Functional Materials。

【文章要点】

在这项研究中，作者用平板涂布实验，细菌细胞膜的通透性及膜电位的改变、细菌内产生的氧化损伤情况及ATP的生成情况，最小抑菌浓度的计算及细菌生物膜的清除情况总体阐述了多模式纳米抑菌平台的杀菌治疗情况。如图1所示，在氧化损伤和基因治疗叠加的情况下，不管是正常细菌还是MDR型细菌，Asza平台杀菌治疗的效果均是最有效的（I, Au NCs; II, Au NCs +CRISPR; III, Asza +CRISPR +laser），其杀菌效果比商用抗生素的治疗效果更为突出。

图1. 多模式协同纳米杀菌平台（Asza）的体外杀菌情况评价

之后，作者用产气肠杆菌（E. aero）和金黄色葡萄球菌（S. epider）作为模型感染菌对小鼠背部的伤口进行感染处理。通过与对照组的伤口相比，用Asza处理后的伤口可以明显观察到CRISPR基因治疗的发生（图2a），在敷药3 h左右达到最佳。并且，在与未治疗的伤口进行对比后，从伤口处的照片及伤口愈合的尺寸统计数据中得出结论，Asza可以加速活体细菌感染处伤口的愈合。

图2. 活体伤口处Asza杀菌情况的评价

完成治疗后对小鼠进行解剖，并对其伤口处组织进行采集和再培养，之后利用平板涂布拍照及细菌浊度的分析，可视化并量化多模式纳米杀菌平台的杀菌活性。与其他处理组相比，Asza处理组的剩余菌落最小，甚至消失，表明了多模式协同杀菌模式的治疗优越性（图3a）。随后，作者应用苏木精和伊红（H&E）染色来揭示不同敷料处理后伤口处再生组织的形态学变化。图3b显示，经过3天的治疗，治疗组和未治疗组均有大面积的炎症细胞（黑色箭头）浸润。而到第15天后，Asza+CRISPR+激光组的真皮组织生长良好，炎症细胞减少，且真皮中形成大量的新鲜血管（蓝色箭头），预示着伤口组织的愈合状态良好。同样的结果也在Masson’s三色染色实验中，通过监测伤口组织处的胶原沉积情况而得到（图3c）。与对照组相比，Asza+CRISPR+激光组在治疗后的第15天胶原含量显著增加，纤维胶原结构更为有序（绿色圆圈），表明伤口组织的成功愈合。

图3. Au NCs, Au NCs +CRISPR, Asza +CRISPR +laser在加速细菌感染伤口愈合中的应用情况

作者最后介绍到，体外和体内的研究都表明，合理设计的多模式协同纳米杀菌平台可以表现出优异的杀菌效果，促进细菌感染型伤口的快速愈合。总的来说，具有氧化酶和过氧化物酶活性的纳米底物材料的表面可修饰性赋予了它们与其他功能模式整合的能力，这启发了我们进一步探索构筑协同治疗平台的新方法，以治疗包括细菌感染在内的多种疾病。论文的第一作者为南京工业大学的黄珊博士。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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