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具有可控活性并能适应伤口微环境的智能抗菌剂有望降低耐药性并提高抗菌效率。
2024年9月3日，华中科技大学徐丽、余旭、江明、易成腊共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“Intelligent Carbon Dots with Switchable Photo-Activated Oxidase-Mimicking Activity and pH Responsive Antioxidant Activity Adaptive to the Wound Microenvironment for Selective Antibacterial Therapy”的研究论文，该研究以芹菜为碳源，构建了具有双重活性的芹菜基碳点（CECD），即活性氧（ROS）生成和ROS清除活性。CECD的ROS生成能力取决于氧化酶（OXD）模拟活性，该活性仅由光激活，因此可通过光进行人为控制，以避免产生过量的ROS。
同时，最佳的OXD模拟活性发生在pH为5时，接近细菌感染部位的微环境pH，这将增强抗菌效果。另一方面，CECD在中性或弱碱性pH下表现出抗氧化活性，这将有助于伤口愈合。因此，CECD的ROS生成和ROS清除能力的转换可以在治疗的不同阶段（从酸性到中性/弱碱性）随着微环境pH值自动动态智能切换。所提出的CECD对革兰氏阳性菌表现出极好的选择性抗菌活性，对细菌感染小鼠有令人满意的治疗效果。这项研究为设计对感染微环境条件敏感的智能抗菌纳米剂、降低耐药性和辅助精准医疗开辟了一条新途径。
抗生素在临床抗菌治疗中被广泛使用已有近一个世纪的历史。由于抗生素滥用或细菌进化引起的耐药性、免疫功能低下、败血症等，抗生素失效已成为一个不容忽视的公共卫生问题。细菌感染，尤其是耐药性细菌感染，对人类生命健康构成了致命威胁。开发有效的抗菌剂以避免耐药性引起了公众和研究人员的高度关注。酶大多是基于蛋白质或RNA核酶的生物催化剂，参与特定的生化反应。天然酶可以催化H2O或O2产生活性氧（ROS），通过破坏细胞膜和膜蛋白来有效杀死细菌。然而，一些缺陷，如合成和纯化成本高、稳定性低、催化条件苛刻，限制了它们的广泛应用。为了解决这个问题，已经开发了一些替代品，例如固定化酶、转化酶、纳米酶等，其中纳米酶即模拟天然酶活性的纳米材料，具有理化性质优良、稳定性高、生物相容性好等特点，是目前最受关注的潜在替代品之一。其中，纳米酶由于催化活性提高、催化条件温和，已成为一种很有前途的抗菌纳米剂，其中以过氧化物酶（POD）模拟和氧化酶（OXD）模拟纳米酶为主，能高效产生ROS氧化破坏细菌细胞膜和生物分子，从而有效灭活细菌。但过氧化物酶模拟纳米酶主要是通过催化H2O2产生ROS来杀灭细菌，在无H2O2存在下不能发挥抗菌作用。需要H2O2和活性不可控是这类纳米酶的主要缺点。另一种备受关注的纳米酶是OXD-模拟纳米酶，它无需H2O2参与，即可催化H2O或O2产生ROS。在是否需要H2O2方面，OXD-模拟纳米酶优于POD-模拟纳米酶。然而，不可控的过量ROS可能会对正常细胞、组织或生物分子造成损害，产生不良影响，甚至逆转治疗效果。因此，活性可控的纳米酶用于抗菌治疗将具有吸引力，因为可控的抗菌活性仅在需要时被激活，这有利于降低耐药性。遗憾的是，多数情况下纳米酶的活性始终处于“开启”状态，催化活性的可控性严重不足。目前，环境响应型纳米酶因其可根据环境光和/或pH值调节活性而备受关注。例如，近几年报道了一些利用光作为人工开关实现可控性的OXD模拟纳米酶，它们仅在光照射下模拟OXD活性杀死细菌，如S、N掺杂碳点、N掺杂碳纳米点和Pd纳米笼等。如果没有照射，这些纳米酶就不起作用，这意味着可以通过光照射可控地打开/关闭ROS的产生。然而，这些纳米酶仍然存在一个问题，即酶活性的最佳pH条件与细菌感染部位的微环境pH有很大不同。上述3种纳米酶发挥最佳类酶活性的pH分别为3、3.5、4.2，而细菌感染伤口处的微环境pH据报道约为5~5.5，伤口愈合时pH会恢复到接近中性（7.4）的水平。显然，感染部位的微环境pH在愈合过程中是动态变化的，与这些纳米酶发挥最大活性的最佳pH不一致。因此，这些纳米酶在实际伤口中的抗菌活性会或多或少地受到损害，甚至被完全抑制。因此，开发最佳催化条件接近细菌感染部位微环境pH的纳米酶具有重要意义。图1 CECD 的制备及发挥抗菌和促进伤口愈合的功效（图源自Advanced Science ）感染是指外来入侵者在体内繁殖，不仅通过细菌分泌的细菌毒素对细胞和组织造成损害，而且还会引发免疫反应。纳米酶也能起到减轻炎症反应从而促进伤口愈合的作用，如超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）模拟纳米酶。其中，模拟SOD的纳米酶通过消除伤口中的O2•−来减轻炎症，而模拟CAT的纳米酶则通过催化H2O2产生O2来促进其他酶活性或减轻炎症。实际上，这两类纳米酶本身几乎不具备抗菌活性，抗菌作用来源于其他成分，如负载的金属纳米粒子、抗生素等。例如，具有CAT和POD双重模拟活性的纳米CeO2，不仅能产生ROS灭活细菌，还能消除ROS减轻炎症。但相互矛盾的CAT和POD模拟活性明显受到影响，降低了治疗效果。如果纳米酶的多酶活性能够根据感染部位的微环境进行智能动态调控，这一问题将迎刃而解。因此，开发具有可切换ROS产生/清除活性的纳米酶是一个创新的想法，这种纳米酶不仅可以通过人工开关精确控制，而且可以对微环境做出反应。除了上述旨在降低耐药性的可控纳米酶外，开发选择性抗菌纳米剂是实现精准抗菌目的的另一种有效策略。选择性抗菌活性不仅可以避免扰乱感染部位微生物菌群的微妙平衡，还可以减少耐药性的产生。这也是中国抗生素临床使用指南建议在临床治疗中优先选择窄谱抗生素的原因。革兰氏阳性菌据称可引起全球严重感染，每年影响数百万人。据统计，手术部位感染多由革兰氏阳性菌引起，肿瘤中的部分革兰氏阳性菌可增强化疗耐药性，降低化疗药物疗效，促进肿瘤生长和转移。而作为最为常见的革兰氏阳性菌之一，耐药性金黄色葡萄球菌（S.aureus）更是严重威胁着公众健康，因此，杀灭革兰氏阳性菌对于避免产生耐药性、保障公众健康至关重要。在最近的一项研究中，研究人员对一种具有光可控POD/CAT样活性的新型氧氮功能化碳量子点(O/N-CQDs)进行了全面研究。它在没有光照的情况下表现出POD样活性，但在光照下转换为CAT样活性。因此，当这种O/N-CQDs用作抗菌剂时，它会在H2O2存在下杀死细菌。杀死细菌后，光被用来激活O/N-CQDs的CAT活性，以清除ROS并促进伤口愈合。这是一种对光有反应的智能抗菌剂。然而，在相同的pH6下研究了两种酶样活性的转换，忽略了不同处理阶段（从酸性到中性/弱碱性）的pH变化。并且O/N-CQDs需要额外的H2O2才能发挥POD样抗菌活性，这是必不可少的，但很繁琐。此外，该研究只给出了对革兰氏阴性菌大肠杆菌（E.coli）的抗菌性能，并未提及抗菌选择性。无论如何，具有可切换活性的智能纳米酶在抗菌应用方面是令人鼓舞的。本文提出了具有可切换的可见光激活的OXD模拟活性和pH响应的抗氧化活性的智能碳点，用于选择性抗菌治疗。选择芹菜作为碳源，构建具有双重活性的碳点（CECD）（方案1A），即ROS产生/清除活性可以根据pH和光动态智能地切换。在靠近感染伤口的弱酸性环境中，CECD仅在光照下表现出OXD模拟活性，产生ROS以达到选择性抗菌的目的；在靠近愈合伤口的中性/弱碱性环境中，CECD可以消除ROS以促进愈合。CECDs活性从ROS生成到清除的转换pH范围与治疗不同阶段的pH变化范围一致。因此，随着伤口从酸性pH恢复到生理pH，ROS生成活性可以自主地转换为清除活性，从而提供一种适应细菌感染愈合发展的智能治疗策略（方案1B）。抗菌活性的可控性和选择性相结合的协同效应有望用于抗菌治疗并减少耐药性的出现。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202406681![]()
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