第一作者：Bingjie Xu
通讯作者：吴金丹 戚栋明
通讯单位：浙江理工大学
研究速览：
由常规抗生素引起的细菌耐药性问题已成为临床治疗中的重大挑战。基于催化且不会产生细菌耐药性的纳米酶提供了一种根除细菌的新方法。然而，这些纳米酶的实际潜力受到其低且易受 pH 影响的催化活性的限制。因此，作者从纳米酶的合成和含羧酸基聚合物基质的选择开始优化酶活性。具体来说，最初使用三种铜源合成了不同的四 （4-羧基苯基） 卟啉铜（Cu-TCPP），其中优选使用具有较高催化活性的 Cu2O 衍生的 Cu-TCPP。随后，将它们与不同去质子化能力的聚合物共混通过静电纺丝进一步获得 Cu-TCPP 复合纤维膜。因此，构建了一个有利于酶活性发挥的酸性微环境。即使在弱碱性条件下，所制备的复合纳米纤维膜也能解离氢离子，构建局部酸性微环境，从而增强酶活性，提高抗菌效果。进一步的体内实验证明了其良好的抗菌能力和加速伤口愈合效果。该研究中酶活性的增强策略为纳米酶复合伤口敷料的设计带来了灵感，具有重要的临床抗菌应用潜力。
要点分析：
要点一：Cu-TCPP 纳米酶的优化：通过使用不同的铜源 （Cu2O、CuCl2、Cu(NO3)2） 合成 Cu-TCPP，并比较其形貌、组成和催化性能。该研究发现，使用 Cu2O 作为铜源合成的 Cu-TCPP 具有更高的酶活性和更宽的 pH 适用范围。
要点二：复合纳米纤维膜的制备：将优化的 Cu-TCPP 分别与不同氢质子解离能力的聚合物 （PVA、PAA-PVA、SF、Gel、GelMA） 共混，并通过静电纺丝法制备复合纳米纤维膜。
要点三：酸性微环境的构建：作者研究了不同复合纳米纤维膜在弱碱性条件下的氢质子解离效果和酶活性。结果表明，GelMA/Cu-TCPP 复合膜在弱碱性条件下表现出最高的酶活性。
要点四：抗菌效果：在弱碱性条件下，GelMA/Cu-TCPP 复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出优异的抗菌性能。同时体内实验结果表明，GelMA/Cu-TCPP 复合膜能够有效抑制感染，并加速伤口愈合。
图文导读
图1. 示意图：（a） 从不同铜源合成 Cu-TCPP 作为 POD 样酶。（b）通过 Cu-TCPP 复合膜的去质子化效应构建局部酸性微环境。（c）优化的 Cu-TCPP 和优选的复合膜在弱碱性 pH 条件下的不同抗菌作用。
图2. 由（a） Cu(NO3)2、（b） CuCl2 和（c） Cu2O 合成的 Cu-TCPP 的形态表征，包括（a1-c1）光学显微镜图像、（a2-c2和a3-c3） SEM 图像、（a4-c4） TEM 图像和（a5-c5）相应的尺寸分布统计。
图3. 由不同铜源合成的 Cu-TCPP 的结构表征：（a） FT-IR 光谱，（b） FT-IR 光谱灰色突出区域的放大图，（c） XRD 图谱，（d） UV 吸收光谱，（e-g） Cu 2p XPS 光谱和（h）不同价态 Cu 的比例。
图4. （a）通过 TMB 比色测定检测 Cu-TCPP 的 POD 活性的机制示意图。（b）来自不同铜源的 Cu-TCPP（10 μg/mL）作为 类POD 酶催化 TMB 反应 60 分钟的紫外-可见吸收光谱。（c）在来自不同铜源的 Cu-TCPP 存在下， 652 nm 处吸光度的时间依赖性变化。（d）通过 DMPO 捕获的来自不同铜源的 Cu-TCPP 的 ESR 光谱。（e） Michaelis-Menten 参数和（f）使用 H2O2 作为底物的不同铜源的 Cu-TCPP 的催化效率。（g）在 652 nm 处的吸光度和（h）在不同 pH 的 PBS 中具有不同铜源的 Cu-TCPP 对 TMB 的氧化显色照片（反应时间：60 分钟）。
图5. （a）增强酶活性的机理图。（b）复合纤维膜的 SEM 图像：（I） PVA，（II） PAA-PVA，（III） SF，（IV） Gel，和（V） GelMA 分别与 Cu-TCPP复合的 SEM 图像（ SEM 图像左上角的插图是复合膜的相应照片）。（c）作为代表性膜的 PAA-PVA/Cu-TCPP 的元素图谱分析。（d）不同复合膜的 FT-IR 光谱。（e）通过 ICP-MS 测量的不同复合膜的 Cu 含量。（f）不同复合膜稳定后的水接触角。
结论
总之，该研究从不同铜源合成的 Cu-TCPP 中选择了具有较高酶活性的 Cu-TCPP，其具有较低的 Michaelis-Menten 常数 （Km=4.56 mM） 和更宽的 pH 范围的酶活性。此外，还制备了可在碱性条件下去质子化的 Cu-TCPP 复合纳米纤维膜，通过构建局部酸性微环境来增强酶活性并提高抗菌效果。经验证，酶活性与微环境的 pH 值（去质子化程度）有关。其中，PAA-PVA/Cu-TCPP 和 GelMA/Cu-TCPP 复合膜在弱碱性条件下表现出了显著提高的酶活性。值得注意的是，由天然蛋白质聚合物组成的复合膜在酸性条件下表现出拟“天然酶”效应，导致酶活性提高了两倍以上。抗菌测试表明，GelMA/Cu-TCPP 在弱碱性条件下能有效对抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。体内实验表明，基于 GelMA/Cu-TCPP+H2O2 的抗菌体系具有优异的抗菌特性，可以加速感染伤口的愈合。该研究可为纳米酶复合系统增强酶活性和广谱杀菌效果的设计和构建提供新的见解和方法。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157594
参考文献：Construction of acidic microenvironment by Cu-TCPP nanozyme composited deprotonatable polymeric nanofibers for efficient antibacterial activity. Bingjie Xu, Limo Wang, Ziyi Shen, Biaobiao Yan, Dongming Qi, Jindan Wu. Chemical Engineering Journal. 2024, DOI: 10.1016/j.cej.2024.157594.
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