随着世界范围内抗菌素耐药性的激增，传统的抗菌剂(如抗生素)通常对超级细菌无能为力。靶向不同于传统抗生素的抗菌途径可能是治疗耐药细菌感染伤口的有效方法。在本工作中，开发了一种能够物理地诱导细菌膜损伤并干扰细菌代谢的抗菌多聚体。首先，作者合成了抗菌聚(ε-己内酯)-聚(谷氨酸)嵌段-聚(赖氨酸-stat-苯丙氨酸)共聚物，然后利用表面正电荷的放大作用自组装成多肽小体来破坏细菌的膜。此外，还进一步用光催化硫化铋(Bi2S3)纳米粒子修饰多肽体，以干扰减少的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)转化。转录组序列分析证实，Bi2S3纳米颗粒产生的近红外光可以有效地干扰NADH的动态平衡，诱导耐药细菌死亡。此外，多肽体分散体喷雾能有效地愈合小鼠耐药细菌感染的伤口。总体而言，本文提供了一种新的策略，将细菌膜损伤和新陈代谢干扰功能整合到抗菌多聚体中，以治愈耐药细菌感染的伤口。该研究以题为“A Polypeptosome Spray To Heal AntibioticResistant Bacteria-Infected Wound by Photocatalysis-Induced MetabolismInterference” 发表在ACS Nano上。
感染创面在日常生活中非常常见，由于反复感染难以治愈，对人类健康和生命构成威胁。目前，最常见的细菌感染的临床治疗方法仍然是抗生素。由于抗生素的广泛使用，细菌很容易产生抗生素耐药性，这降低了抗生素的疗效，甚至导致高死亡率。因此，开发抗菌策略，如纳米材料、敷料和贴片，对于治疗与细菌感染相关的疾病，包括感染伤口，具有重要意义。靶向能量代谢对细菌的所有生理活动是必不可少的，这可能是对抗耐药细菌的有效策略。作为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+/NADH)的动态平衡对于维持具有和不具有抗生素耐药性的细菌内正常的能量代谢是必不可少的，这种特性使NAD+/NADH成为深入研究抗菌治疗的靶点。与使用NADH脱氢酶抑制剂的传统方法相比，外源性方法可能更精确和有效地作为临床上应用最广泛的非侵入性技术之一，近红外光具有令人满意的组织穿透性和可忽略的光毒性，也被用于伤口愈合，如光动力学和光热治疗。光催化抗菌疗法是一种伴随着随后的生物效应的光敏反应。这一过程涉及在细菌感染部位用特定波长的激光辐射激发光敏剂，产生电子与细胞内或细胞外物质反应以达到抗菌效果。作为铋系半导体基团Bi2S3的成员，Bi2S3具有低带隙，宽吸收，良好的光导性能有效利用近红外光引发一系列光催化反应。它可以在近红外激光激发下在导带和价带产生电子，从而提供了作为光敏剂的可能性。因此，构建基于Bi2S3的生物材料通过切断营养供应、触发活性氧自由基(ROS)的产生、扰乱NADH稳态等来加剧代谢失衡，已成为治疗抗生素耐药细菌感染伤口的一种有前途的策略。然而，大多数抗菌肽在生理环境中很容易被酶降解。幸运的是，将抗菌肽嵌入到基于多肽的聚合物(多肽体)中可以有效地解决这些问题。
本文设计了一种可原位沉积硫化铋(Bi2S3)的抗菌多肽(APs)。如方案1所示，抗菌多肽小体是自组装的聚(ε-己内酯)-聚(谷氨酸)嵌段-聚(赖氨酸-stat-苯丙氨酸)共聚物。PCL块形成膜，另一块形成多肽体的亲水性冠状结构。在自组装后，通过羧基与铋离子之间的静电作用，将纳米Bi2S3作为光敏剂原位沉积在多肽体上，得到最终的硫化铋修饰抗菌多肽体(APs@Bi2S3)。APs@Bi2S3与光催化抗菌治疗的协同作用增强了细菌的清除，并通过转录组序列分析进一步探讨了其潜在的抗菌机制。最后，考察了APs@Bi2S3的体内抗菌活性和创面愈合能力。APS@Bi2S3有望成为构建多模式协同抗菌平台的典范。
示意图1 光催化代谢干扰法制备Bi2S3修饰的抗菌多肽体(APs@Bi2S3)用于抗生素耐药细菌感染创面。
图1. (A)由DLS确定的APs和APs@Bi2S3的大小分布。(B)在PBS中进行了APs@Bi2S3的稳定性试验。(C)不同pH条件下AP的ζ电位值。(d，E)APs的透射电子显微镜图像。(F)APs和APs@Bi2S3在500-1000之间的UV−Vis光谱。(G)APs@Bi2S3的电子显微镜图像。(H)放大的APs@Bi2S3的电子显微镜图像。(I)Bi2S3纳米粒子的尺寸分布。
图2. (A)APs@Bi2S3的X射线衍射图。(B)APs@Bi2S3的热重分析。(C)经或不经808 nm激光照射的L02肝细胞对APs和APs@Bi2S3的相对细胞活力。(D)Bi2S3产生电子、产生O2−、和氧化NADH的机制示意图。(E)在光照射下，PBS溶液中存在APs@Bi2S3的NADH(150.0μM)的紫外-可见光谱变化。(F)不同光照时间下APs@Bi2S3和APs@Bi2S3诱导的细菌内ROS含量的荧光强度。
图3. (A)在没有或有808 nm激光照射的情况下，用APs和APs@Bi2S3处理后的活细菌菌落的数字照片。(B)经APs和APs@Bi2S3处理后的细菌细胞计数。(C)在没有或有808 nm激光照射的情况下，用APs和APs@Bi2S3处理后的细菌细胞活力。(D)APs、APs@Bi2S3和APs@Bi2S3在光照下处理24小时的细菌的共聚焦激光扫描显微镜图像。(E)APs、APs@Bi2S3和APs@Bi2S3在光照射下处理的细菌的扫描电子显微镜图像。
图4. (A)差异表达基因的火山图谱(灰色，差异不明显的基因；蓝色，下调基因；红色，上调基因)。(B)对照与APs@Bi2S3+NIR之间的相关分析。(C)涉及细菌的差异表达基因热图(红色代表相对高表达水平的基因；蓝色代表相对低表达水平的基因)。(D)细菌氧化还原相关差异表达基因的热图。(E)在对照和APs@Bi2S3+NIR之间的MRSA中差异表达基因的GO富集。(F)对照和APs@Bi2S3+NIR之间MRSA差异表达基因的KEGG富集。(G)涉及细菌膜的差异表达基因的热图。
图5. 直径5mm的MRSA感染创面的体内抗菌治疗。(A)治疗后不同时间间隔的MRSA感染伤口的数字图像。(B)治疗后不同时间段的相对创面面积。(C)13天内伤口闭合的痕迹。(D)第5天从感染伤口获取的细菌菌落的数码照片。(E)相应的细菌菌落计数结果。(F)创面皮肤组织苏木精-伊红(H&E)和Masson染色。
综上所述，该研究提出了一种基于Bi2S3修饰的具有NADH脱氢酶活性的多肽体的光催化抗菌疗法，用于治疗MRSA感染的伤口。合成了聚(ε-己内酯)-聚(谷氨酸)嵌段-聚(赖氨酸-stat-苯丙氨酸)共聚物，并在超细Bi2S3纳米粒子的原位修饰下自组装成多肽体，得到了Bi2S3修饰的多肽体(APs@Bi2S3)。在APs@Bi2S3中的Bi2S3纳米粒子在近红外光下产生自由电子，可以有效地干扰NADH的动态平衡，并产生ROS来诱导抗生素耐药细菌死亡。转录组序列分析证实了其抗菌机制。此外，APs@Bi2S3与正常细胞具有良好的细胞相容性，无论是在无近红外照射的情况下还是在近红外照射下。体内研究进一步证明，APs@Bi2S3配合近红外照射能有效清除细菌，促进MRSA感染创面愈合，且无明显副作用。此外，这种基于多肽体的平台可以扩展到连接许多其他多种手段组合的抗菌策略，如抗生素递送、光动力疗法和声动力疗法。
论文链接（DOI）：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13965
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