牙周炎有救了！唐本忠院士，新发Nature子刊！光催化助力高效抗菌！
学术
2024-12-09 08:19
河南
氧化还原平衡在维持细胞代谢活动中起着关键作用，其失衡可能导致细胞死亡，为疾病治疗提供了潜在的干预靶点。传统光动力疗法通过光敏剂生成活性氧破坏细胞氧化还原平衡，但其依赖氧气参与反应，限制了在少氧或无氧环境下的应用。同时，抗生素疗法虽广泛用于细菌感染，但耐药性和高复发率问题显著影响其疗效，并可能破坏正常菌群平衡，增加感染风险。因此，开发能够在无氧环境中高效作用的治疗手段成为迫切需求。基于此，香港中文大学（深圳）唐本忠院士、赵征教授和西安交通大学何刚教授等人合作提出了一种新型光催化剂TBSMSPy+，可破坏细菌的能量代谢和DNA复制，从而实现高效杀菌。该研究以“Photocatalytic therapy via photoinduced redox imbalance in biological system”为题，发表在《Nature Communications》期刊上。1. 突破氧气依赖性，实现无氧环境高效抗菌：提出“光诱导氧化还原失衡”（PIRI）策略，设计光催化剂TBSMSPy+，克服了传统光动力疗法（PDT）对氧气的依赖，为厌氧菌感染治疗提供了新路径。2. 高效催化，显著提高治疗效果：TBSMSPy+催化剂具有极高的催化效率（NADH氧化转化频率高达60.7 min⁻¹），在体外实验和牙周炎动物模型中表现出优异的杀菌效果，治疗效果显著优于传统抗生素疗法。3. 低毒性与高选择性，安全性良好：该光催化剂能够特异性靶向细菌DNA，并在无光条件下对正常细胞显示出极低毒性，降低了副作用风险，具备良好的临床应用潜力。图1展示了光催化剂TBSMSPy+通过光诱导氧化还原失衡（PIRI）实现厌氧环境下杀菌的工作机制。通过NADH/NAD+的氧化还原平衡示意图，解释了NADH作为细胞代谢中关键物质的作用，包括电子传递链中为ATP合成提供电子的功能。扰乱该平衡可阻断细菌的能量供应和DNA复制，最终导致细胞死亡。通过催化剂TBSMSPy+的多步电子转移，促进NADH转化为NAD+，实现无氧条件下的光催化反应。图中还描述了催化剂的激发、电子转移及重返初始状态的循环过程。图2展示了光催化剂TBSMSPy+的光物理特性及其自由基生成能力。阐述了TBSMSPy+的分子结构及其在溶液中的吸收光谱和光致发光光谱，表明其具有聚集诱导发光（AIE）特性和显著的电荷转移（ICT）效应。在不同氧气条件下，通过荧光探针检测自由基生成，结果显示TBSMSPy+在光照下可有效生成自由基，尤其是在无氧条件下，其生成的内在自由基信号显著增强。电子自旋共振实验进一步确认了TBSMSPy+在厌氧环境中生成的自由基物种。这些特性表明TBSMSPy+不仅具有良好的光吸收和发光性能，还可在无氧条件下通过自由基生成实现无氧条件下的光催化反应，为厌氧环境下的治疗提供了可能性。图3通过飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA）揭示了TBSMSPy+的光诱导多步电子转移过程。控制分子PBSMP的光激发过程中显示单步电子转移，主要涉及其分子内部的受体和供体之间的电子传递。TBSMP中观察到增强的电荷分离特性，电荷转移效率显著提升，但仍为单步转移。在引入阳离子吡啶基团后，TBSMSPy+表现出复杂的多步电子转移行为，涉及从TPA到BSM，再到吡啶基团的多阶段过程，显著延长了激发态寿命并增强了电荷分离稳定性。这种多步电子转移机制极大地促进了自由基的生成，并为无氧条件下的光催化反应提供了稳定基础，进一步证明了TBSMSPy+在无氧氧环境下光催化反应中的高效性。图4展示了光催化剂TBSMSPy+通过光诱导氧化还原失衡实现NADH氧化的机制及其无氧条件下的催化能力。图4a 详细描述了TBSMSPy+在光照下的催化循环：催化剂激发后通过多步电子转移生成自由基，促进NADH氧化为NAD+，并通过与Fe³⁺或氧气的电子交换完成催化循环。UV-Vis光谱表明，在脱氧环境中，TBSMSPy+有效催化NADH氧化，其效率显著高于对照分子TBSMP，催化转化频率（TOF）达到60.7 min⁻¹。细菌悬浮液中的实验进一步验证了TBSMSPy+对NADH的氧化能力，表现出优异的厌氧催化性能。该结果表明，TBSMSPy+能够通过无氧条件下的催化反应扰乱细菌的NADH/NAD+平衡，展现了其在厌氧感染治疗中的潜力。图5展示了TBSMSPy+在厌氧环境下的抗菌性能及其作用机制。通过平板计数实验评估TBSMSPy+对两种牙周致病菌的杀菌效果，在光照条件下，TBSMSPy+的杀菌率分别达到99.2%和99.7%，显著优于对照组。显微镜观察显示，TBSMSPy+可进入细菌内部并与DNA高度共定位，表明其能特异性结合细菌DNA。进一步实验表明，光照条件下TBSMSPy+显著损伤细菌DNA，与ATP抑制剂对照组呈现相似效果。这些结果表明，TBSMSPy+通过光诱导自由基生成扰乱NADH/NAD+平衡，导致ATP不足和DNA复制受阻，从而有效杀菌。这一机制为厌氧环境中的感染治疗提供了强有力的支持。图6展示了TBSMSPy+通过光催化治疗牙周炎的体内实验效果。通过大鼠牙周炎模型评估TBSMSPy+光催化治疗的有效性，结合温度敏感水凝胶实现局部持续释放。TBSMSPy+水凝胶在体内保持凝胶状态，并在光照下显示聚集诱导发光（AIE）特性。微CT扫描和组织学分析表明，TBSMSPy+在光照下可显著减少牙周炎相关的牙槽骨丧失，其治疗效果优于传统抗生素PERIO组。骨体积与组织体积比（BV/TV）及牙槽骨的其他微结构参数均接近健康组水平，进一步验证了其在骨再生中的效果。这些结果表明，TBSMSPy+通过光催化扰乱厌氧菌的代谢平衡，显著改善了牙周炎的病理状态，为光催化疗法的临床应用提供了可能性。该研究提出了“光诱导氧化还原失衡”（PIRI）策略，设计出新型光催化剂TBSMSPy+，实现了在厌氧环境下高效催化NADH氧化为NAD+，扰乱细菌代谢，展现出显著的抗菌性能与牙周炎治疗效果。这一策略突破了传统光动力疗法对氧气的依赖，为厌氧菌感染治疗提供了新的解决方案。Photocatalytic therapy via photoinduced redox imbalance in biological system. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-024-55060-w.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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