Chem. Eng. J. | 原位沉积级联纳米酶的近红外响应复合纳米材料用于多重协同治疗糖尿病小鼠细菌感染

以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者纳米酶Nanozymes

文章简介

由病原体（如病毒、细菌、寄生虫和真菌等）引起的新兴传染病给全球公共关系和健康带来了巨大挑战。细菌作为传染病的主要病原体，通过直接接触、消化道、呼吸道和蚊虫叮咬在人体内传播，其传染性强。目前，糖尿病的皮肤伤口由于高浓度的葡萄糖和低pH的生理微环境，容易产生细菌感染或其他炎症反应，从而导致慢性伤口感染愈合缓慢。近年来，纳米酶作为一种具有酶催化性质的纳米材料，基于其具备产生活性氧（ROS）催化治疗的能力，被认为是一种很有前途的抗菌策略。自从阎锡蕴等人2007年首次报道了具有类过氧化物酶（POD）的Fe3O4纳米酶以来，纳米酶在工业、生物学和医学中的应用得到了快速发展。近日，江西科技师范大学郑鹏武课题组在Chemical Engineering Journal期刊发表了题目为“NIR responsive composite nanomaterials with in-situ deposition of cascaded nanozymes for multiple synergistic therapy of bacterial infection in diabetic mice”的论文，本文报道了一种原位沉积级联纳米酶的近红外响应复合纳米材料（Cu@Pt-Au/Apt NPs），用于多重协同治疗糖尿病小鼠的细菌感染。

图1 原位沉积级联纳米酶的近红外响应性复合纳米材料（CuS@Pt-Au/Apt NPs）的制备路线以及多重协同治疗糖尿病小鼠伤口感染的过程。

纳米酶的催化活性

纳米酶的催化活性主要表现为类氧化酶（OXD）、类过氧化物酶（POD）、类过氧化氢酶（CAT）、类超氧化物歧化酶（SOD）以及其他多功能酶的活性。类氧化酶通过催化底物与O2的反应产生H2O2，类过氧化物酶催化H2O2转化为羟基自由基（‧OH），将两者融合被认为是级联的纳米酶系统并可用于化学动力学治疗（CDT）。先前的研究表明，由金（Au）和铂（Pt）组合兼具OXD和POD的纳米酶，利用糖尿病慢性伤口微环境中的高浓度葡萄糖作为底物可发生级联酶反应产生高毒性的ROS，进而促发杀菌作用。ROS主要通过破坏细菌的细胞膜、蛋白质和DNA，并导致细胞外基质泄漏的方式诱导细菌的死亡。然而，纳米酶的低催化能力、ROS半衰期短且难以长距扩散大大降低了其杀菌功效，限制了其在生物医学领域的发展。因此，急需开发协同抗菌策略，以提高纳米酶的催化活性并促进活性氧物种的精确释放。

光热疗法

光热疗法（PTT）作为一种有效的新兴治疗方法，可以在近红外光照射下产生局部热疗，破坏细菌的脂质双层，导致细菌内容物泄漏，甚至细菌死亡。PTT具有的可忽略的毒性以及良好的可控性在生物医学领域引起了极大的兴趣，但由于其对正常组织的损伤，仍然阻碍PTT在抗菌领域的进一步发展。根据阿伦尼斯方程，催化反应速率的加速与温度的升高呈正相关，因而可以通过升高温度来提高纳米酶的催化活性并促进ROS的产生和释放。CuS是一种具有优异光电性能、低生物毒性和可降解性的半导体材料，其释放的Cu2+离子可以破坏细菌膜，并在肿瘤或伤口微环境中引发谷胱甘肽反应，从而实现多模式抗癌或抗菌效果。然而，纳米酶和光热剂的组合仍然无法解决诸如靶向性与ROS半衰期短等问题。核酸适体是RNA或单链DNA的片段，对特定靶分子具有特异性结合能力。它们对细菌或癌症细胞表面的靶分子具有高度的特异性，但仍存在诸如传递效率低以及易被核酶降解等缺点。先前的研究报道，高选择性核酸适体与纳米材料相结合可以实现精确靶向和高效杀菌的目标，这解决了彼此在应用领域的障碍。

成果及展望

为了克服上述障碍，郑鹏武课题组设计并构建了一种适配体功能化的近红外光响应的复合抗菌纳米材料(CuS@Pt-Au/Apt NPs）用于糖尿病小鼠伤口感染的协同治疗。如图1所示，通过水合肼还原法合成具有光热性能的中空硫化铜（CuS）纳米颗粒，然后通过金属还原法在硫化铜表面原位共沉积具有级联纳米酶活性的贵金属金（Au）和铂（Pt）纳米酶，再通过冷冻吸附法将巯基修饰的核酸适体（Aptamer-SH）吸附在颗粒表面，以获得CuS@Pt-Au/Apt纳米颗粒。该适体功能化的纳米颗粒能够保护核酸适体免受核酶的降解，并利用核酸适配体靶向识别作用加速CuS@Pt-Au/Apt纳米颗粒与细菌细胞的结合，纳米颗粒中的CuS能够在近红外照射下产生的局部热量破坏细菌膜，同时增强级联纳米酶在糖尿病微环境中的酶促反应，实现热量以及活性氧在病灶部位的精准释放。这种纳米沉积的方法，成功构建了一种集靶向、化学动力学治疗（CDT）和光热治疗（PTT）于一体的适体功能化近红外光响应纳米抗菌材料，该项研究解决了纳米酶应用的局限性，实现了一种协同多模式的抗菌策略，并为未来治疗慢性伤口感染提供了坚实的基础。

转自：“NANO学术”微信公众号

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