Advanced Materials:超分子光热级联纳米反应器可实现光热效应、级联反应和原位水凝胶化以治疗拔牙伤口相关的生物被膜

以下文章来源于纳米生物技术 ，作者鬼笔环肽幕后写手

国科温州研究院Yong Liu等人在Advanced Materials上发表题为“Supramolecular Photothermal Cascade Nano-Reactor Enables Photothermal Effect, Cascade Reaction, and In Situ Hydrogelation for Biofilm-Associated Tooth-Extraction Wound Healing”的研究论文。

由于细菌耐药性的出现和生物被膜的保护作用，用常规措施治疗细菌感染的开放性创面难以达到满意的治疗效果。本文通过壳聚糖修饰的钯纳米立方(CPNC)、葡萄糖氧化酶(GOX)和亚铁离子(Fe2+)之间的氢键和配位相互作用，通过超分子策略构建了光热级联反应器(CPNC@GOx-Fe2+)。CPNC@GOx-Fe2+表现出优异的光热效应，并为GOX辅助级联反应提供动力，产生羟基自由基，使光热和化学动力联合治疗对抗细菌和生物被膜。进一步地，蛋白质组学、代谢组学和全原子模拟结果表明，羟基自由基对细菌细胞膜功能和结构的破坏以及热效应增强了细菌细胞膜的流动性和不均匀性，从而产生协同抗菌作用。在生物被膜相关拔牙创面模型中，级联反应过程产生的羟基自由基可以启动自由基聚合过程，形成原位水凝胶保护创面。体内实验证实，抗菌和伤口保护的协同作用可以加速感染拔牙伤口的愈合，而不影响口腔共生微生物群。总之，本研究提出了一种治疗开放性伤口感染的多功能超分子系统。

开放性伤口持续的细菌感染是伤口愈合时间延长的主要原因。细菌感染创面的临床治疗包括抗生素治疗和创面保护。然而，抗生素在临床环境中的广泛使用为细菌提供了选择性压力，通过进化药物外排泵，限制抗生素的获取，改变抗生素的靶标，以及开发分解药物的酶或蛋白质来躲避抗生素的打击，从而获得耐药性。此外，细菌可以通过由蛋白质、细胞外细菌DNA、胞外多糖和酶组成的生物被膜来保护自己免受恶劣条件或药物的攻击。生物被膜作为耐药基因的储存库，促进基因水平转移。因此，生活在生物被膜生长模式下的细菌对传统抗生素的抵抗力是浮游生物的10-1000倍。60%到80%的细菌感染与伤口部位存在生物被膜有关。

近年来，许多有效的方法被应用于抗菌治疗，如化疗，光动力治疗(PDT)/光催化治疗(PCT)，免疫治疗，和声动力治疗(SDT)。具有高转化效率的光热剂已被用于光热疗法(PTT)，通过无创光照射诱导局部热疗，破坏致病菌的完整性。此外，热疗可以通过使其固有的生物活性底物(如核酸和蛋白质)失活来破坏生被物膜的结构。然而，PTT受目标特异性不足和激发光穿透深度的限制。为满足感染热疗所需的高激发光功率，对正常组织的损伤也是不可避免的。PTT联合化疗(CDT)的协同治疗策略有望解决PTT的副作用。在CDT中，通过Fenton或Fenton样反应产生高毒性羟基自由基(·OH)，通过破坏DNA、蛋白质和细胞膜诱导细菌死亡。具体来说，含铁离子(Fe2+)的试剂/材料是最常用的CDT试剂。此外，CDT产生的·OH可以增加细菌细胞膜的通透性和对热的敏感性，从而达到协同抗菌的效果。虽然通过协同治疗策略可以有效杀灭创面细菌，但也需要使用合适的敷料来保护开放性创面。

伤口保护是治疗细菌感染伤口应采取的另一项关键措施。伤口敷料通过保持不受细菌影响的潮湿环境来加速开放性伤口的愈合，并有助于防止感染。水凝胶具有柔韧性、高含水量和高吸收伤口渗出物的能力，已成为最佳选择。近年来发展起来的可注射水凝胶可以就地密封任意形状的伤口，并通过与伤口轮廓的结合提供物理屏障。此外，可注射水凝胶可以通过装载各种功能剂，如生物活性材料、纳米酶、光热剂等，将协同抗菌体系整合到伤口敷料中，实现协同抗菌和伤口保护。然而，为了表现出优异的剪切变薄注射能力，水凝胶必须含有动态共价键或可逆的非共价相互作用，这通常会限制其机械强度。因此，迫切需要开发一种方便高效的系统，既能协同抗菌伤口感染，又能快速形成原位水凝胶保护伤口。

为了在开放性伤口的治疗中实现协同抗菌治疗和原位伤口保护，研究人员通过分步组装设计了一个超分子光热级联纳米反应器(CPNC@GOx-Fe2+)。选择具有近红外吸收和高光热转换效率的壳聚糖修饰钯纳米-立方(CPNC)作为光热剂。首先，CPNC作为纳米平台可以通过固定GOX和Fe2+，将GOX辅助级联反应系统通过氢键和配位相互作用整合到壳聚糖表面，成功构建CDT系统。CPNC固定化GOX提高了酶的热稳定性和抵抗水解酶攻击的能力。因此，CPNC@GOx-Fe2+具有优异的光热性能和稳定的GOX辅助级联反应过程，可以将PTT和CDT整合成一个超分子光热级联反应体系，实现协同抗菌治疗。CPNC@GOx-Fe2+可以催化葡萄糖氧化生成有毒的·OH。在808 nm光照射下，CPNC的光热效应使超分子级联反应体系对变形链球菌具有协同抑菌作用。变形链球菌是一种机会致病菌可能感染拔牙伤口，导致牙槽骨炎的发展。同时，级联反应不断产生的·OH引发聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)单体的自由基聚合，导致原位形成水凝胶，为开放性伤口提供湿润和无菌的环境。此外，水凝胶中的纳米反应器限制可以防止对口腔共生微生物群的副作用。PEGDA凝胶良好的生物降解性和凝胶降解与组织再生的匹配性也保证了伤口的成功愈合率。因此，通过拔牙创面模型，证实了其协同抗菌和原位创面保护的有效性和应用前景。

结论：综上所述，研究人员通过一种简单有效的策略构建了一个超分子光热级联纳米反应器。由于CPNC的光热性质及其对GOX的稳定作用，超分子光热级联反应体系实现了PTT和CDT的有效整合。体外实验证实了超分子光热级联反应体系对多种口腔条件致病菌及其生物被膜的协同抑菌活性。通过TMT标记的定量蛋白质组学分析、代谢组学和细菌细胞膜模拟，发现PTT产生的热效应增强了细菌细胞膜的流动性，从而增强了级联反应产生的·OH对细胞膜功能和结构的损伤，从而形成了超分子光热级联反应体系的协同抗菌作用。结合级联反应引发的原位凝胶化过程，应用超分子光热级联反应体系治疗变形链球菌生物被膜诱导的拔牙创面感染，成功实现协同抗菌和创面保护，显著促进创面愈合过程。总的来说，该研究方便地将PTT和CDT治疗结合起来，开发了多功能协同抗菌治疗。由于近红外对生物组织的渗透能力有限，这种超分子光热级联反应体系的应用仅限于浅表细菌生物膜感染。尽管如此，这种方法为治疗开放性伤口感染提供了一个有希望的解决方案。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202301664

转自：“NANO学术”微信公众号

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