第一作者：叶洋、郑芹芹
通讯作者：张相春、韩海杰、韦兵
通讯单位：中国农业科学院茶叶研究所/浙江大学眼科医院/阜阳师范大学
研究速览
近期，中国农业科学院茶叶研究所张相春、浙江大学韩海杰和阜阳师范大学韦兵以《Metal-phenolic nanoparticles enhance low temperature photothermal therapy for bacterial biofilm in superficial infections》为题在Journal of Nanobiotechnology发表文章。由多重耐药病原体引发的细菌感染已成为全球健康面临的重大挑战。在感染组织中，细菌生物膜的形成进一步增强了细菌对抗生素的耐受性和耐药性，增加了治疗难度。为此，作者采用一种简便的一步自组装方法，通过茶多酚中的表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）与Au³⁺的配位，开发了具有抗菌性能的茶多酚金纳米颗粒（E-Au NPs），以对抗耐药性细菌（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，MRSA），并在近红外（NIR）照射下有效防止其形成生物膜。该纳米颗粒展现了卓越的抗菌效果，机制包括温和的光热治疗（PTT）、活性氧（ROS）的生成、致病相关基因的调控以及与醌蛋白的作用，这些都是茶多酚金属纳米颗粒所独特的抗菌特性。E-Au NPs在小鼠MRSA感染的皮肤创伤和角膜炎模型中表现出显著的抗菌和抗炎作用，局部应用能够有效杀灭细菌，减少炎症反应并促进创面愈合。此外，研究还全面评估了E-Au NPs的眼科和全身生物安全性，结果表明未观察到明显的副作用，成功实现了高效抗菌性能与良好生物相容性之间的平衡。该研究为浅表组织感染的治疗提供了一种新的有效治疗策略，展示了金属-酚类材料在抗菌治疗中的良好前景，并具有较高的临床转化潜力。
要点分析
要点一：温和条件下一步自组装法构建了茶多酚金纳米颗粒，E-Au NPs在低温光热下具有良好的抗菌效果。
要点二：E-Au NPs在光热下通过产生ROS、破坏壁膜结构、产生毒性醌蛋白等杀伤耐药菌MRSA，并可以有效清除其形成的生物膜。
要点三： E-Au NPs在小鼠MRSA感染的皮肤创伤和角膜炎模型中展现了卓越的抗菌和抗炎治疗效果，能够有效抑制细菌生长、减轻炎症反应并促进创面愈合。此外全面的眼科和全身生物安全性评估证明了其良好的生物安全性。
图文导读
图1 ：E-Au NPs抗菌和抗生物膜治疗示意图。E-Au NPs通过简便的一步自组装方法制备而成。其在MRSA感染的皮肤创伤和角膜炎中的抗菌和抗炎治疗效果得到了验证。其卓越的抗菌效果主要通过温和的光热疗法、活性氧物质（ROS）的生成、相关致病基因的调控以及醌蛋白的形成等多重机制实现。
图2 ：E-Au NPs的合成与表征。（A）E-Au NPs的合成过程示意图。（B）E-Au NPs的透射电子显微镜（TEM）图像，比例尺为2 nm。（C）EGCG和E-Au NPs的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）图。（D）E-Au NPs的高分辨率XPS光谱。（E）EGCG和E-Au NPs的紫外-可见吸收（UV-vis）光谱。（F）E-Au NPs的XRD谱图。（G）在近红外光（808 nm， 1.0 W/cm2）照射下不同浓度的E-Au NPs（0～200 µg/mL）依赖照射时间的升温热图像，以及（H）在5 min内相应的温度变化。（I）E-Au NPs五个周期（每个周期15 min）的加热/冷却光热曲线。
图3：E-Au NPs的体外抗菌和抗生物膜活性。（A）金黄色葡萄球菌（S. aureus）、（B）大肠杆菌（E. coli）和（C）MRSA与不同浓度E-Au NPs共同孵育后的生长曲线。不同近红外激光（808 nm，1.0 W/cm2，200 µg/mL）照射时间下E-Au NPs处理MRSA的（D）照片和（E）存活率。不同浓度E-Au NPs（0、25、50、100、150和200 µg/mL）在相同有无NIR激光照射时间下（808 nm，1.0 W/cm2、2.5 min）处理MRSA的（F）照片和（G）存活率。有无NIR激光照射（808 nm，1.0 W/cm2、5 min）下，E-Au NPs处理的MRSA生物膜经SYTO 9染色后的3D共聚焦图像（H）和厚度（I），比例尺为50 μm。（J）不同处理后用结晶紫染色的MRSA生物膜图像。误差线表示平均值±S. D，星号表示显著性差异（*P < 0.05， *** P < 0.001）。
图4：E-Au NPs体外抗菌机制。（A）E-Au NPs中多酚形成醌蛋白的示意图。（B）不同浓度E-Au NPs处理后形成醌蛋白的定性分析。（C）不同浓度E-Au NPs处理MRSA生成醌蛋白的定量分析。（D）不同浓度E-Au NPs处理MRSA产生醌蛋白的最大速率。（E）MRSA经不同处理后ROS的明场和DCFH-DA染色荧光图像，比例尺为200 μm。（F）不同处理下MRSA的扫描电镜（SEM）和TEM图像，比例尺为400 μm。（G）不同处理下MRSA中蛋白质的泄漏水平。（H）不同处理下MRSA中核酸的泄漏水平。（I）不同处理下MRSA中K+的泄漏水平。误差线表示平均值±S. D，星号表示显著性差异（**P < 0.01， *** P < 0.001）。
图5：基因转录组分析。（A）火山图分析显示E-Au NPs经NIR照射后的基因差异性表达（DEGs）。下调基因用蓝色表示，上调基因用红色表示。灰点表示表示达差异小于2倍的基因。（B） 热图显示了与群体感应、致病性、抗菌耐药性、生物膜、粘附和氧化应激相关的若干基因差异性表达。（C）基因差异性表达（DEGs）的Gene Ontology（GO）分析结果。（D）GO富集分析结果。（E）KEGG通路分析结果。（F）KEGG富集分析结果。以上分析比较了对照组和E-Au组之间的基因差异性表达。
图6：E-Au NPs在MRSA感染皮肤创面模型中的体内治疗效果。(A) E-Au NPs联合近红外（NIR）治疗在MRSA感染皮肤创面模型中应用的示意图。（B）小鼠背部皮肤创面经过NIR处理后的红外热成像图。（C）经过不同治疗的MRSA感染小鼠创面在7天后的照片。Un-inf组为未感染的皮肤创面。（D）感染创面面积的定量分析。（E）采用不同治疗方式后，感染皮肤内细菌菌落的评估结果，以及（F）细菌计数的相对变化。（G）通过苏木精-伊红（H&E）染色评估感染创面皮肤组织的形态变化。红色圆圈标示血管形成，标尺为1 mm/250 μm。（H）皮肤组织中IL-6的免疫组化染色分析结果。误差线表示平均值±S. D，星号表示显著性差异（*P < 0.05，**P < 0.01， *** P < 0.001）。
图7：E-Au NPs在MRSA感染角膜炎模型中的体内治疗效果。（A）E-Au NPs联合NIR治疗在MRSA感染角膜炎模型中的应用示意图。（B）在不同治疗方案下，裂隙灯检查图像以及角膜氯化钠荧光素染色结果，分别记录于第0、4、8、12和16天。（C）不同治疗组的临床分级评分。（D）酚红试验的定量分析。（E）角膜组织的苏木精-伊红（H&E）染色图。黑色虚线框标示的放大区域，标尺为100 μm/20 μm。（F）角膜厚度的定量分析。（G）角膜组织中IL-6的免疫组化染色结果。标尺为100 μm。（H）IL-6免疫组化染色定量分析。（I）视网膜的H&E染色结果，标尺为100 μm。（J）眼内压（IOP）测量结果。（K）HCEC细胞在与E-Au NPs共培养24小时后，NIR照射与未照射情况下的细胞毒性分析。误差线表示平均值±S. D，星号表示显著性差异（*P < 0.05，*** P < 0.001）。
结论
本研究提出了一种简便且高效的方法，在室温下无需种子剂或模板即可直接组装抗菌E-Au NPs光热治疗纳米系统。该光热治疗（PTT）E-Au NPs对多种细菌表现出卓越的抗菌活性，包括多药耐药的MRSA菌株，并在MRSA生物膜感染的皮肤创面和角膜炎的治疗中展现出显著的疗效。研究揭示了PTT E-Au NPs的多重协同抗菌机制，包括温和的光热治疗、活性氧（ROS）爆发、细胞结构损伤和醌蛋白的产生。这些抗菌机制已通过RNA测序得到确认。更为重要的是，E-Au NPs的光热治疗在局部和系统性水平上实现了高效的抗菌作用与良好的生物相容性之间的平衡，且未观察到任何毒副作用或功能障碍。综上所述，考虑到其卓越的抗菌效果、生物安全性以及简便的合成方法，E-Au NPs在临床应用中展现出巨大的潜力，特别是在抗生素耐药性细菌感染的治疗中。
全文链接：https://doi.org/10.1186/s12951-024-02985-5参考文献：Yang Ye, Qinqin Zheng, Ziqi Wang, Shanshan Wang, Zhouyu Lu, Qiang Chu, Yong Liu, Ke Yao, Bing Wei, Haijie Han, Hongping Chen, Xiangchun Zhang. Metal-phenolic nanoparticles enhance low temperature photothermal therapy for bacterial biofilm in superficial infections. Journal of Nanobiotechnology 2024, 22 (1). DOI: 10.1186/s12951-024-02985-5.
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