同济大学杜建忠教授团队ACS Nano：光催化诱导干扰代谢来治疗耐药菌感染伤口的多肽体喷雾剂

第一作者：Tao Wang、 Runxin Teng、Mengjie Wu

通讯作者：杜建忠、 范震、 李畅

通讯单位：同济大学

研究速览：

最近，同济大学杜建忠教授团队在《ACS Nano》期刊上发表了光催化诱导干扰代谢来治疗耐药菌感染伤口的多肽体喷雾剂研究的文章。随着全球抗菌药物耐药性的蓬勃发展，传统的抗菌剂（例如抗生素）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。在该研究中，作者开发了一种抗菌聚合物来物理诱导细菌膜损伤并干扰细菌代谢。首先，作者合成了一种抗菌聚（ε-己内酯）-嵌段-聚（谷氨酸）嵌段-聚（赖氨酸-stat-苯丙氨酸）共聚物，然后通过表面正电荷的放大自组装成多肽体以破坏细菌膜。此外，用光催化硫化铋（Bi₂S₃）纳米颗粒作为光催化剂进一步修饰多肽体，以干扰减少的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）转化。具体来说，如转录组序列分析所证实的，Bi₂S₃ 纳米颗粒产生的近红外光可以有效地干扰 NADH 稳态以诱导抗生素抗性细菌死亡。此外，用多肽体分散体喷雾实现了小鼠抗生素抗性细菌感染伤口的有效愈合。总的来说，作者提供了一种新的策略，将细菌膜损伤和代谢干扰功能整合到抗菌聚合物体内，用于愈合抗生素耐药细菌感染的伤口。

要点分析：

要点一：双重抗菌机制：物理破坏细菌细胞膜， APs@Bi₂S₃ 表面带有正电荷，可以通过静电作用与细菌细胞膜结合，导致细胞膜破裂，细菌死亡；光催化干扰细菌代谢， APs@Bi₂S₃ 表面修饰了光催化纳米材料 Bi₂S₃，在近红外光照射下可以产生电子，进而干扰细菌的 NADH 平衡，导致细菌死亡。    

要点二：pH 响应性：APs@Bi₂S₃ 在生理 pH 下对正常细胞毒性较低，而在感染部位的酸性环境中对细菌毒性更强。

要点三：良好的生物相容性： APs@Bi₂S₃ 对正常细胞具有良好的生物相容性，即使在近红外光照射下也无明显毒性。

图文导读

方案1. Bi₂S₃修饰的抗菌多肽体（AP@Bi₂S₃）的制备说明，用于通过光催化诱导干扰代谢来有效愈合抗生素耐药细菌感染的伤口。    

图1. （A） 由 DLS 确定的 APs 和 APs@Bi₂S₃ 的大小分布（插图：APs 和 APs@Bi₂S₃ 的数码照片）。（B） 在 PBS 中进行 APs@Bi₂S₃ 的稳定性试验。（C） 不同 pH 下 APs 的 ζ 电位值。（D， E） APs 的 TEM 图像。（F） APs 和 APs@Bi₂S₃ 在 500 到 1000 之间的紫外-可见光谱。（G） APs@Bi₂S₃ 的 TEM 图像。（H） APs@Bi₂S₃的 TEM 放大图像。（I） Bi₂S₃ 纳米颗粒的尺寸分布。    

图2. （A） APs@Bi₂S₃的 XRD 图谱。（B） APs@Bi₂S₃ 的热重分析。（C） L02 肝细胞在有或没有 808 nm 激光照射下对 APs 和 APs@Bi₂S₃ 的相对细胞活力。（D） Bi₂S₃ 产生电子并产生 O₂⁻ 和氧化 NADH 的机制示意图。（E） 在 PBS 溶液中，APs@Bi₂S₃ 存在下，NADH （150.0 μM）在光照射下的紫外-可见光谱变化。（F） 不同光照时间下 APs@Bi₂S₃ 诱导细菌内 ROS 含量的荧光强度。

图3. （A） 经 APs、APs@Bi₂S₃、APs@Bi₂S₃ 加 808 nm 激光照射处理后的活细菌菌落的数码照片。（B） 经 APs、APs@Bi₂S₃、APs@Bi₂S₃ 加 808 nm 激光照射处理后的细菌细胞计数。（C） 经 APs、APs@Bi₂S₃、APs@Bi₂S₃ 加 808 nm 激光照射处理后的细菌细胞活力。（D） APs、APs@Bi₂S₃ 和 APs@Bi₂S₃ 在光照射下处理 24 小时的细菌的共聚焦激光扫描显微镜图像。（E）经 APs、APs@Bi₂S₃ 和 APs@Bi₂S₃加光照射下处理的细菌的 SEM 图像。比例尺：1 μm。    

图4. （A） 差异表达基因的火山图（灰色，没有显著差异的基因；蓝色，下调的基因；红色，上调的基因）。（B） 对照与 APs@Bi₂S₃ + NIR 之间的相关性分析。（C） 细菌中涉及差异表达基因的热图（红色代表表达水平相对较高的基因；蓝色代表表达水平相对较低的基因）。（D） 参与细菌氧化还原的差异表达基因的热图。（E） 对照和 APs@Bi₂S₃ + NIR 之间 MRSA 中差异表达基因的富集 GO 项。（F） 对照和 APs@Bi₂S₃ + NIR 之间 MRSA 中差异表达基因的富集 KEGG 项。（G） 细菌膜中涉及的差异表达基因的热图。    

图5. 直径 5 mm 的 MRSA 感染伤口的体内抗菌治疗。（A） 治疗后不同时间间隔 MRSA 感染伤口的数码图像。比例尺：3 mm。（B） 治疗后不同时间间隔的相对伤口面积。（C） 13 天内伤口闭合的痕迹。（D） 第 5 天从感染伤口获得的细菌菌落的数码照片。（E） 相应的细菌菌落计数结果。（F） 苏木精-伊红 (H & E) 和 Masson 染色创面皮肤组织。比例尺：200 μm。

结论

总之，作者提出了一种基于具有NADH脱氢酶样活性的Bi₂S₃修饰的多肽体的光催化抗菌疗法，用于治疗MRSA感染的伤口。合成PCL-b-PGA-b-P（Lys-stat-Phe）共聚物，然后用超小Bi₂S₃纳米颗粒原位修饰自组装成多肽体，以获得Bi₂S₃修饰的多肽体（APs@Bi₂S₃）。APs@Bi₂S₃中的Bi₂S₃纳米颗粒在近红外光下产生自由电子，可有效干扰NADH稳态并产生ROS以诱导抗生素耐药细菌死亡。转录组序列分析用于证实抗菌机制。此外，APs@Bi₂S₃在无NIR照射和有NIR照射的情况下与正常细胞均表现出良好的细胞相容性。体内研究进一步证明，APs@Bi₂S₃与NIR照射能够有效地清除细菌并促进MRSA感染伤口的愈合，而不会引起明显的副作用。此外，这种基于多肽体的平台可以扩展以连接许多其他多手段联合的抗菌策略，例如抗生素递送、光动力疗法和声动力疗法。    

全文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13965

参考文献：A Polypeptosome Spray To Heal Antibiotic-Resistant Bacteria-Infected Wound by Photocatalysis-Induced Metabolism-Interference. Tao Wang, Runxin Teng, Mengjie Wu, Zhenghong Ge, Yaping Liu, Biao Yang, Chang Li, Zhen Fan, Jianzhong Du. ACS Nano. 2024, DOI: 10.1021/acsnano.4c13965.

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