上交团队联合研发抗菌纳米酶，能够清除深部组织的生物膜感染

近日，上海交通大学教授凌代舜联合浙江大学和杭州医学院的合作者，研发出一款仿噬菌体的抗菌纳米酶——刺突结构中空氧化锰纳米酶。

图｜凌代舜（来源：凌代舜）

在激光照射之下，氧化锰纳米酶可以对抗金黄色葡萄球菌生物膜感染、抑制炎症反应以及促进血管生成，进而可以促进耐药菌感染的伤口修复和再生，并且其具备安全、高效的优势。

图 | 氧化锰纳米酶的设计策略（来源：Advanced Science）

实验结果显示，对于细菌生物膜导致的感染，氧化锰纳米酶具有明显的感染清除效果。并且，因其具良好的生物相容性，可有效促进组织的修复与再生，包括耐药生物膜感染导致的难治性伤口的修复等。此外，氧化锰纳米酶可被近红外光调控，由于近红外光的组织穿透性较强，故其也有望用于深部组织的生物膜感染清除与损伤修复。

据介绍，课题组的前期目标是针对耐药细菌感染伤口的难愈合问题，研发一种新型纳米酶，以对感染部位的细菌生物膜进行穿透，进而实现高效抗菌的效果。纳米酶可通过原位催化的方式，模拟氧化酶和过氧化酶等的催化作用，生成活性氧杀伤细菌。但是，生成的活性氧的扩散半径较小、半衰期较短，限制了纳米酶的抗菌效果。

因此，该团队希望构建一种既能发挥高催化性能、又能高效粘附在致病菌表面的纳米酶。

以此为目标，受天然噬菌体表面刺突结构的启发，他们成功合成一种新型氧化锰纳米酶，其表现呈现刺突结构，结构上模拟噬菌体以提高粘附性，并且具备优异的催化性能。

课题组通过实验发现，这种刺突结构纳米酶可以很好地粘附并杀伤浮游致病菌，但是对于生物膜的杀伤效果还不够好。

究其原因，他们发现这些刺突结构纳米酶难以渗透进入致密的细菌生物膜。通过调研文献，该团队发现尺寸小而光滑的纳米粒，往往能够很好地渗入细菌生物膜。

由此他们猜想，氧化锰纳米酶表面的刺突结构，虽然能够帮助纳米酶粘附细菌并杀死细菌，但却抑制了纳米酶的细菌生物膜渗透效果。

为证明这一观点，他们在学习相关物理学原理的同时，着手设计相关的实验方案。最终，在理论和事实两种角度之上，课题组都找到了相关依据。

实验结果显示，相比表面粗糙的纳米颗粒，表面光滑的纳米颗粒很难粘附在细菌细胞表面，但是却能渗透生物膜，这一现象也符合布朗运动的规律。

完成上述探索之后，他们将研究目标进一步细化：力图解决抗菌纳米酶渗透性能与细菌粘附性能之间“鱼和熊掌不可兼得”的矛盾，设计一种可以同时实现细菌生物膜深部渗透与细菌粘附的纳米酶，借此实现纳米酶治疗效果的双重“放大”。

就这样，所有成员以终为始成功构建出氧化锰纳米酶，其外表模拟了噬菌体的刺突结构，内部呈现为中空状态，并搭载了光热试剂。

其优点在于：不仅能通过纳米酶的光热效应破坏生物膜，并且当其粘附在细菌表面之后，近红外光刺激可有效放大其催化活性，从而可作为一种细菌膜锚定的活性氧生成器。

日前，相关论文以《一种光调节的噬菌体-刺状纳米酶能够双重增强生物膜穿透和细菌捕获，用于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染的光热促进催化治疗》（A Photomodulable Bacteriophage-Spike Nanozyme Enables Dually Enhanced Biofilm Penetration and Bacterial Capture for Photothermal-Boosted Catalytic Therapy of MRSA Infections）为题发在 Advanced Science 上（IF 15.1）。

杭州医学院吴海滨助理研究员、魏敏博士和胡深医师是共同一作；上海交通大学凌代舜教授、浙江大学李方园教授和杭州医学院梁广研究员担任共同通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Advanced Science）

ICG@hMnOx，是他们给这款氧化锰纳米酶起的名。研究中，课题组主要通过“牺牲模板”的方法制备了这种纳米酶。

在合成过程中，通过透射电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜，他们对所有产物结构加以表征，证明 ICG@hMnOx 确实拥有类噬菌体刺突结构与中空结构，其表面多孔且粗糙，可以成功负载吲哚菁绿。

此后，通过动态光散射测试和 ζ 电位测试，课题组验证发现 ICG@hMnOx 能够稳定分散在水中、以及其他常见的生物介质中。

而后，通过 X 射线光电子能谱和 X 射线衍射测试，该团队又对 hMnOx 晶相结构与表面性质加以研究，确证 ICG@hMnOx 可以氧化谷胱甘肽并催化芬顿反应。

图 | ICG@hMnOx 的制备示意图和结构表征数据（来源：Advanced Science）

接着，他们又开展光增强的催化性能研究。由阿伦尼乌斯方程可知，化学反应的速率与反应温度呈正相关。通过克服活化势垒和提高传质速率，热能可以促进催化反应。

通过验证他们发现 ICG@hMnOx 具有近红外光可控的光热性能，且比游离吲哚菁绿的光稳定性更强。

进一步，其又对 ICG@hMnOx 的光激活催化活性进行研究，结果发现 ICG@hMnOx 表现出光依赖的类活性酶催化活性。

这说明，ICG@hMnOx 具有近红外光激发的光热性能，能够发挥近红外光增强的催化活性。

图 | ICG@hMnOx 的光增强催化活性（来源：Advanced Science）

那么，ICG@hMnOx 的“真枪实战”能力如何？针对此，课题组开展光增强的抗菌研究、以及抗生物膜活性的研究。

耐药金黄色葡萄球菌具有耐甲氧西林的特点，因此该团队以其作为模型菌株，研究了 ICG@hMnOx 的抗菌活性。在激光照射之下，他们发现 ICG@hMnOx 可以显著抑制菌落形成、破坏金黄色葡萄球菌的细胞结构并清除金黄色葡萄球菌。

单一来看，ICG@hMnOx 的光热效应抗菌活性并不算强，这说明它的抗菌效果在很大程度上依赖于自身的催化活性。

此外，在激光照射之下，他们还发现 ICG@hMnOx 能够显著抑制金黄色葡萄球菌生物膜。

这提示着在 ICG@hMnOx 的帮助之下，光热增强纳米催化治疗不仅可以对抗浮游细菌，还可以有效根除 ICG@hMnOx 生物膜。

图 | ICG@hMnOx 的抗菌和抗生物膜效果研究（来源：Advanced Science）

为进一步解释 ICG@hMnOx 的作用机制，课题组又探索了它的生物膜渗透能力和细菌粘附能力。

结果发现：ICG@hMnOx 与金黄色葡萄球菌生物膜共同孵育之后，ICG@hMnOx 能够渗透进生物膜深处，而且两者的荧光信号呈现出明显的共定位。

即便在电子显微镜下，也能观察到纳米粒粘附在细菌表面。由此可见，ICG@hMnOx 具有强大的生物膜渗透能力以及细菌捕获能力。

另外，经过 ICG@hMnOx 处理之后的金黄色葡萄球菌细胞膜会被严重破坏，表现出膜电位丧失以及膜去极化的现象，这表明 ICG@hMnOx 可以通过光热增强的类纳米酶活性，充当膜表面锚定的活性氧生成器。

作为一种内源性抗氧化防御物质，谷胱甘肽可以避免氧化应激来对细菌和细胞进行破坏，进而规避治疗效果的降低。

因此，课题组也研究了 ICG@hMnOx 对谷胱甘肽的作用。结果发现：在激光照射之下，ICG@hMnOx 可以加速谷胱甘肽的消耗。

总体而言，以上结果证实在激光照射之下，ICG@hMnOx 可以多方面地对抗金黄色葡萄球菌生物膜感染，比如对抗生物膜渗透、细菌捕获和谷胱甘肽消耗等。

图 | ICG@hMnOx 的生物膜渗透和细菌粘附能力研究（来源：Advanced Science）

为了评估 ICG@hMnOx 的体内治疗效果，该团队建立了金黄色葡萄球菌感染伤口模型，并对其进行治疗。

针对此类伤口模型，当治疗条件不同时，治疗效果也不尽相同。具体来说，当 ICG@hMnOx 结合激光照射治疗时，伤口表现出更快的愈合速度、以及更少的细菌负荷。

此外，ICG@hMnOx 结合激光照射的治疗方式，可以显著减少金黄色葡萄球菌对于周围组织的浸润和侵袭。

随后，他们发现治疗之后的伤口部位，多种炎症因子的表达均得到显著降低，血管生成标志物明显升高，伤口血氧饱和度明显改善，且有大量的胶原沉积和皮肤附属物形成，这表明经过氧气和营养补充之后，ICG@hMnOx 能够促进伤口修复与再生。

此外，针对小鼠主要器官的组织病理学检查和代谢评估表明：ICG@hMnOx 具有高度的生物相容性。

图 | ICG@hMnOx 的生物膜渗透和细菌粘附能力研究（来源：Advanced Science）

至此，在发展兼具细菌壁粘附性和生物被膜穿透性的抗菌纳米酶上，课题组取得了阶段性进展。

下一步，他们将继续聚焦精准高效抗菌纳米酶的开发，从根本上解决细菌壁粘附性和生物被膜穿透性相互制约的问题。

另外，由于缺乏合适的诊疗一体化探针，目前还难以实现深部组织器官感染的及时干预和早期诊断。结合课题组在磁共振成像、光声成像和抗菌纳米酶等方面的经验和基础，针对难治性深部组织的细菌感染开发精准诊疗一体化探针，也是他们打算着力攻克的一个难题。

参考资料：

1.Wu, H., Wei, M., Hu, S., Cheng, P., Shi, S., Xia, F., ... & Ling, D. (2023). A Photomodulable Bacteriophage‐Spike Nanozyme Enables Dually Enhanced Biofilm Penetration and Bacterial Capture for Photothermal‐Boosted Catalytic Therapy of MRSA Infections.Advanced Science, 2301694.