人才强校 - 中国农大刘天龙课题组在锌基纳米材料抗菌领域取得新进展

近日，动物医学院刘天龙副教授课题组在材料学领域著名期刊《小尺寸（Small）》在线发表了研究论文“ZIF通过抑制精氨酸合成实现高效抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌疗效”（Zeolitic Imidazolate Framework-8 Triggers the Inhibition of Arginine Biosynthesis to Combat Methicillin-Resistant Staphylococcus Aureus），创新提出了锌基纳米颗粒的新型抗菌机制，为锌基纳米材料的抗菌应用提供了理论支撑。

论文信息

抗生素是治疗细菌感染最常见和最有效的方法，然而，抗生素的不合理使用导致了耐药细菌的出现，对人类和动物构成了巨大的威胁。由于抗生素的研发远远落后于细菌耐药性的发展，迫切需要对抗细菌耐药性的新型替代品。近年来，纳米抗菌材料因其耐药性小、侵入性小、全身毒性风险低、特异性高等优点，引起研究者的关注。

沸石咪唑酯骨架结构材料-8（Zeolitic Imidazolate Framework-8 ，ZIF-8）是一种新型的纳米抗菌材料，因具有分散性好、比表面积大、孔隙率高、合成方便等优点，在组织工程、药物载体、抗菌治疗、海水淡化和油水分离等领域展现出巨大的应用潜力。研究发现ZIF-8 NPs对多重药耐药金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）和大肠杆菌具有良好的抗菌活性，但ZIF-8对耐药菌的抗菌机制仍未得到充分的解释。

该研究利用ZIF-8处理细菌后，发现细菌表面外观粗糙、膜穿孔、起皱和内容物外溢，细菌细胞膜完整性被破坏，并伴随膜电位降低、ATP降低和ROS的富集。转录组学和代谢组学均富集到精氨酸合成信号通路，通过精氨酸回补实验证明了精氨酸生物合成直接影响ZIF-8对MRSA的杀菌效果。qPCR验证精氨酸信号通路上相关基因（arcA、arcF、arcC、nos）的变化，与转录组学结果一致，说明ZIF-8 NPs进入细胞后，通过靶向精氨酸生物合成相关基因的表达，引起精氨酸生物合成受阻，导致ROS的富集，能量代谢受损，破坏细菌细胞膜和细菌DNA损伤，最终导致细菌死亡。此外本文以MRA感染的小鼠皮肤创面为模型，考察ZIF-8 NPs在体内改善创面愈合的作用。结果表明，ZIF-NPs凝胶能有效的杀灭伤口处细菌进一步促进伤口修复。

ZIF-8 通过抑制精氨酸合成通路实现MRSA高效抗菌

近年来，刘天龙副教授课题组一直专注于新型纳米抗菌材料的研发研究，在早期研究中他们发现，纳米氧化锌作为锌基纳米材料在食品包装材料应用中会发生迁移，并利用新型体外模拟系统评价其迁移效果，为纳米氧化锌在食品包装领域的应用提供了重要参考，相关工作于2021年在《农业与食品化学杂志（Journal of Agricultural and Food Chemistry）》发表（DOI：10.1021/acs.jafc.1c04344），同年，他们发现PLGA@甲苯胺蓝纳米颗粒可以有效的抑制细菌的生长并在小鼠皮肤伤口感染模型中得到初步应用（《纳米材料（Nanomaterials）》，https://doi.org/10.3390/nano11123394 ），随后，研究团队发现纳米氧化锌作为食品包装材料可以有效延长肉类食品的货架期，有效降低细菌对肉品的黏附，显著抑制了常见菌的繁殖，为锌基材料在新型食品包装领域的应用提供了新的实验数据，相关工作于2022年发表于《ACS 欧米茄（ACS Omega）》杂志（DOI: 10.1021/acsomega.2c03016）。以上研究为锌基纳米材料在纳米抗菌领域的应用奠定了坚实的基础，这次Small文章的发表是该研究团队在纳米抗菌方向长期耕耘、厚积薄发的结果。

2019级博士研究生刘波为本文的第一作者，刘天龙副教授和代重山副教授为本文共同通讯作者。该研究工作获得岭南现代农业实验室项目（NT2021006）、国家自然科学基金项目(31802162)、北京市自然科学基金项目(6202017)、中国农业大学青年教师创新计划项目（2018QC142)）资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202205682

供稿：动物医学院

供图：动物医学院

编辑：孟祥慈

责编：于哲