细菌电子传递链（ETC）在生物膜能量代谢和氧化还原平衡中起着至关重要的作用，使其成为抗生物膜治疗的潜在靶点。该工作中，开发了负载有Pt纳米颗粒的介孔纳米碳球（CS-Pt）以破坏细菌ETC用于光增强抗生物膜。在近红外激光照射下，CS-Pt处理的生物膜的Pt 4f结合能正移了0.6eV，阳极电流密度增加了1.76倍，表明CS-Pt的电子损失导致电子从CS-Pt向生物膜的转移增强。将电子猝灭剂NH 4Cl加入到含有CS-Pt的生物膜样品中导致生物膜清除率降低，突出了增强电子转移在有效生物膜根除中的关键作用。由于CS-Pt在诱导高温、产生活性氧和阻断细菌ETC方面的多功能性，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）生物膜中ETC的关键组分（胞外DNA）减少了89.8%，最终导致生物膜清除率为90.3%。此外，CS-Pt实现了99.5%的生物膜根除，并在MRSA感染的伤口模型中加速伤口愈合率为78.1%。作者团队提出了一种有吸引力的方法，通过破坏ETC，酶样活性和光疗的协同效应来分解生物膜，为对抗生物膜相关感染提供了一个创新的视角。该研究以题为“Photo-Responsive Nanozyme Disrupts Bacterial Electron Transport Chain for Enhanced Anti-Biofilm Therapy” 发表在Advanced Functional Materials上。
细菌感染已对人类的生命和健康构成了极大的威胁。据预测，到2050年，每年因细菌感染造成的死亡人数将达到1000万。大约80%的细菌感染与生物膜形成有关。生物膜是包埋在由多糖、蛋白质、脂质和胞外DNA（eDNA）组成的胞外聚合物（EPS）中的密集包装的细菌。EPS提供了一个保护屏障，抵御抗菌剂和免疫细胞的攻击。驻留在生物膜内的细菌表现出对抗生素的显著更高的抗性，范围为抗生素细菌的10至1000倍，从而对基于抗生素的治疗提出了重大挑战。近年来，基于纳米技术的疗法已成为抗生素治疗的有前途的替代品，用于对抗由生物膜形成引起的细菌感染。这些治疗方法包括光热疗法（PTT），光动力疗法（PDT），和纳米催化疗法。然而，生物膜微环境（BME）内的eDNA与胞外多糖交联，稳定生物膜结构并阻止抗菌剂的渗透，从而降低这些策略的功效。因此，分解eDNA是抗生物膜感染成功的关键因素。
在此，作者团队开发了载铂介孔纳米碳球（CS-Pt）。在BME中，CS-Pt表现出过氧化氢酶样（CAT样）活性，促进O2自我供应并增强氧化酶样（OXD样）活性。CS-Pt催化产生的ROS降解谷胱甘肽（GSH），增加了细菌的氧化应激。此外，CS-Pt具有光热和光动力学性质，可实现光催化抗菌活性的增强。由于表面粗糙度高，CS-Pt促进了坚固的材料-细菌界面。在近红外（NIR）激光照射下，CS-Pt能有效地促进电子向细菌膜的传递，破坏细菌的ETC，同时产生的ROS破坏了NADH/NAD+的氧化还原平衡.值得注意的是，近红外辐射的CS-Pt导致耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和大肠杆菌生物膜的降解率分别为89.8%和94.1%，破坏了生物膜的稳定性。此外，体内实验表明，CS-Pt通过有效抑制炎症因子如IL-6和TNF-α，同时促进愈合相关因子如CD31和III型胶原的表达，实现了78.1%的显著伤口愈合率。该研究强调了CS-Pt通过整合ETC破坏、酶样催化和光疗有效解决生物膜相关感染的潜力，从而为对抗生物膜相关感染提供了一种新的方法。
图 1.NIR激光照射CS-Pt治疗细菌生物膜诱导的伤口感染的示意图。
图 2. .CS-Pt的合成与表征a）CS-Pt的合成过程示意图。b）CS和c）CS-Pt的TEM图像。d）通过DLS测量的CS-Pt的尺寸分布。e）CS-Pt的Pt、0和C的元素映射。f）CS和CS-Pt的拉曼光谱。g）CS-Pt的ESR谱。h）CS和CS-Pt的XRD图谱。i）CS-Pt的Pt 4f的高分辨率XPS光谱。
图 3. .CS-Pt光响应性能的表征a）CS-Pt在808 nm激光照射（1.5 Wcm-2）下的光热性能和B）相应的红外图像。c）CS-Pt在808 nm激光照射（1.5 W cm-2）下的光热加热-冷却循环。d）不同组中oxTMB的紫外-可见吸收光谱。e）CS-Pt与TMB底物的OXD样活性的动力学。f）在PBS缓冲液（pH 5.5）中加入10 μgmL−1 CS-Pt或CS和5 mM H2 O2后产生O2。g）CS-Pt与H2 O2底物的CAT样活性的动力学。h）CS-Pt的光增强的OXD样活性。i）不同处理的GSH的紫外-可见吸收光谱。j）CS-Pt和CS的DPBF降解速率。k）不同条件下O2 ·−的ESR谱。l）1 O2在不同条件下的ESR谱。
图4. CS-Pt的体外抗菌性能。a）E.不同实验组的大肠杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌菌落。B）E.大肠杆菌和c）MRSA在不同条件下。d）不同条件下MRSA的SEM图像。黄色箭头表示细菌的不规则形态。红色箭头表示CS-Pt或CS。e）不同处理后MRSA中ROS的CLSM图像。各种处理后MRSA的f）DNA、g）蛋白质和h）K+的泄漏。数据表示为平均值土SD（n = 3），ns：p > 0.05，*p < 0.05，**p < 0.01，*p < 0.001。
图 5. .不同处理的体外抗生物被膜性能。a）用CV染色的生物膜的代表性照片。B）E.大肠杆菌生物膜和MRSA生物膜用SYTO 9/PI双荧光染色。绿色荧光代表活细菌，红色荧光代表死细菌。c）E.d）MRSA生物膜。e）不同组MRSA生物膜的相对红色荧光强度。数据表示为平均值土SD（n = 3），ns：p > 0.05，*p < 0.05，**p < 0.01，*p < 0.001。
图6.体外抗生物被膜机制。A)大肠杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物膜中EDNA SYTOX染色的CLSM图像。2)不同处理对MRSA生物膜中EDNA含量的影响。C)不同处理对MRSA生物膜膜电位的影响。用ONPG法评价MRSA生物膜的膜通透性。(E)抗生物膜处理前后CS-Pt的4f峰。不同处理后的f)CS-Pt和g)CS的循环伏安曲线。阻断电子传递对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物膜和大肠杆菌生物膜去除的影响。J)不同处理后NADH的UV-Vis光谱变化。K)不同处理后的NADH/NAD+比值。L)，CS-铂与生物膜之间的电子转移示意图。数据以平均值±SD(n=3)表示。
图7.使用MRSA生物膜感染模型的抗生物膜效果的体内评价。a）用于抗生物膜测定的体内处理程序的示意图。B）不同组伤口的代表性照片。c）第1天不同处理的伤口组织的细菌菌落的照片。d）808nm激光照射下伤口区域的温度变化曲线。e）不同处理后7天内小鼠伤口面积的比较。f）不同处理后7天内小鼠创面愈合的面积痕迹。g）不同处理后的H& E染色的皮肤伤口。
图8..处理后第7天伤口组织的组织学分析。a）在第7天具有IL-6和TNF-α的免疫组织化学染色的组织学图像。B）不同组创面组织中胶原-III、CD 31和细胞核的免疫荧光染色图像。胶原-III：黄色，CD 31：红色，细胞核：蓝色。c）IL-6和d）TNF-α水平的相应定量数据来自免疫组织化学染色。e）胶原蛋白-III和f）CD 31的统计分析。
在该研究中，作者团队构建了一种纳米酶，CS-Pt，旨在有效地破坏生物膜中的电子传递，干扰BME的稳态，并促进在NIR激光照射下有效地去除生物膜。CS-Pt的粗糙表面有利于细菌的粘附，从而促进纳米材料与细菌之间的界面电子传递。在近红外激光照射下，CS-Pt产生的热量促进了分子碰撞，导致其有效的电子转移到细菌，有效地破坏细菌ETC，从而放大了抗生物膜效果。此外，CS-Pt破坏了NADH/NAD+的氧化还原稳态，进一步破坏了细菌的ETC。在BME中，CS-Pt分解H2O2产生的O2作为OXD样活性的底物，增强了光动力学性质，导致GSH降解，促进氧化损伤。CS-Pt在PTT过程中产生的热量不仅直接杀死了细菌，而且提高了CS-Pt的催化活性。此外，活性氧的产生和PTT诱导的热效应进一步诱导eDNA降解，从而使生物膜结构不稳定并干扰电子传递。体外实验表明，CS-Pt在近红外激光照射下去除90%以上的生物膜。具有MRSA生物膜感染的伤口模型证明CS-Pt与光疗组合减少炎症反应，促进新血管形成，并增强胶原沉积以加速伤口愈合。总的来说，这项研究提出了一种创新的方法，整合了ETC的破坏，酶样催化和光疗，为治疗生物膜相关感染提供了一种有前途的策略。
论文链接（DOI）：
https://doi.org/10.1002/adfm.202417354
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