安徽医科大学王咸文最新Small：氧化锌增强的硫化铜纳米酶通过激活免疫和炎症反应来促进感染伤口的愈合

第一作者：Wei Zhang

通讯作者：王咸文

通讯单位：安徽医科大学

研究速览

近期，安徽医科大学王咸文以《Zinc Oxide-Enhanced Copper Sulfide Nanozymes Promote the Healing of Infected Wounds by Activating Immune and Inflammatory Responses》为题在Small发表文章。细菌感染和过度炎症反应是影响感染伤口愈合的两大因素。这项研究开发的氧化锌/硫化铜（ZnO-CuS）微球可以杀死细菌并抵抗炎症。ZnO-CuS 因 pH 值不同而表现出不同的酶样活性。在酸性环境中，ZnO-CuS 表现出类似过氧化物酶（POD）的活性，可将过氧化氢（H₂O₂）转化为羟基自由基（·OH），从而达到杀菌的目的。在中性条件下，ZnO-CuS 能清除活性氧（ROS），并能将过量的 ROS 转化为水和氧气。体外抗菌试验结果表明，ZnO-CuS 对细菌生物膜和细胞膜有明显的破坏作用。受伤动物组织的转录组测序结果显示，ZnO-CuS 微球激活了适应性免疫，并降低了伤口处炎症因子的表达水平。因此，可以通过调节免疫反应和减少炎症反应来实现抗菌活性和伤口快速愈合。溶血、血常规和血液生化分析结果表明 ZnO-CuS具有极佳的生物安全性。

要点分析    

要点一：ZnO-CuS能够粘附细菌，增强活性氧的杀菌效果。此外，ZnO在酸性环境中逐渐降解，释放出大量的锌离子。Zn2+、Cu²⁺与活性氧的协同抑菌作用极大地破坏了细菌的外膜。

要点二： ZnO-Cu在伤口感染的初始阶段破坏细菌细胞膜，导致细菌抗原的释放以激活适应性免疫。在杀死细菌后，伤口微环境由酸性转为中性，ZnO-CuS通过清除ROS来减少炎症反应，从而加速愈合。

图文导读

图1. ZnO-CuS 的合成及促进细菌感染伤口愈合的机制。A) ZnO-CuS的合成示意图。B) ZnO-CuS 在伤口愈合的不同阶段发挥不同作用。C) ZnO-CuS 的抗菌机制。D) ZnO-CuS 促进伤口愈合的机制。

图2. ZnO-CuS的结构、组成和价态。A,B) ZnO-CuS的扫描电镜图像。C,D) ZnO-CuS的TEM图像。E) ZnO-CuS 的高分辨TEM 图像。F) ZnO-CuS的选区电子衍射图像。G) ZnO-CuS的元素图谱图像。H) CuS-ZnO的XRD图。I) ZnO-CuS的XPS的全谱。J) CuS-ZnO的 Cu 2p区域XPS谱图。    

图3. ZnO-CuS 的多酶活性。A) ZnO-CuS 清除 DPPH+ 的能力。B) ZnO-CuS 的 ABTS+ 清除能力。C) ZnO-CuS 清除羟自由基的能力。D-F) ZnO-CuS 在酸性环境中使用 OPD 探针的类 POD 活性。G-I) 使用 TMB 探针检测 ZnOCuS 在酸性环境中的类 POD 活性。J-L) ZnO-CuS 的 CAT 类活性特征。M) ROS 氧化 OPD 和 TMB 的机理。N) ZnO-CuS 还原 DPPH+ 和 ABTS+ 的机理图。    

图4.ZnO-CuS的体外抗菌性能测试。A) 不同处理（pH = 5.5，H₂O₂ = 0.2 mM）后MRSA菌落形成的数码照片。B) 不同处理（pH = 5.5，H₂O₂ = 0.2 mM）后大肠杆菌菌落形成的数码照片。C) 不同处理组中 MRSA 的相应相对细菌活性（n = 3）。D) 不同处理组（n = 3）中大肠杆菌相应的相对细菌活性统计。

图5.ZnO-CuS 的体外抗菌性能。A-D) MRSA 和 E-H) E. coli样品经不同处理（pH = 5.5，H₂O₂ = 0.2 mM）后的扫描电镜图像。I,J) MRSA 和E. coli的蛋白质渗漏统计（pH = 5.5，H₂O₂ = 0.2 mM，n = 3）。K,L) 不同处理组（pH = 5.5，H₂O₂ = 0.2 mM）中 MRSA 和E. coli活染色和死染色的荧光图像。M,N) 利用 DCFH-DA 探针检测和分析不同处理组（pH = 5.5，H₂O₂ = 0.2 mM）中的 MRSA 和E. coli。    

图6. ZnO-CuS 清除 MRSA 生物膜及其抗菌机理。A) 不同处理组中 MRSA 生物膜的结晶紫染色。B) 与（C）对应的 OD 值（n = 3）。C) 不同处理组 MRSA 生物膜的荧光图像。D) 不同处理组 MRSA 生物膜的 SEM 图像。E) 不同治疗组 MRSA 生物膜的 TEM 图像。F) MRSA 和 E. coli 用 ZnO-CS 处理2h后的 TEM 元素图谱。G) ZnO-CuS 与不同官能团之间的反应。H) ZnO-CuS 的抗菌机理示意图。    

图7.对细胞毒性、溶血、细胞迁移和血管生成进行了体外评估。A) ZnO─CuS 的 CCK-8 试验（n = 3）。B) ZnO─CuS 的溶血试验（n = 3）。C) 不同处理组 L929 细胞在 0-72 小时内诱导划痕的显微图像。E) 通过测量内皮细胞管的形成测定 HUVECs 的血管生成潜能。F) 不同处理组中 HUVECs 形成的连接数目（n = 3）。

图8.ZnO-CuS促进感染伤口愈合的治疗效果。A) 伤口感染模型的建立。B) 伤口的数码照片和C) 伤口的痕迹。D) 第3天皮肤伤口中的MRSA菌落。E) 不同组的伤口愈合率（n = 3）。F) MRSA 菌落数量的统计数据（n = 3）。G) 第 1、3、5和7天不同组小鼠的体重（n = 3）。    

图9. 伤口组织的组织学染色。A)第7天不同组创面组织切片H&E和Masson三色染色的代表性图像。B)表皮厚度，C)胶原体积分数，D)不同创面肉芽组织厚度（n = 3）。E)不同组创面组织CD31和IL-6染色。

图10. HA)各组循环数（n = 3） B)各组CD31表达情况统计（n = 3） C)各组创面组织CD11c、CD4、CD8免疫荧光染色（n = 3） D)各组CD11c相对荧光强度（n = 3）E)各组CD4+和CD8+ T细胞的相对荧光强度。    

图11.创面组织RNA序列分析。A)两组的层次聚类分析。B) GO对DEGs功能的分析。C)火山DEG分布图。D) KEGG富集分析散点图。E，F)小鼠组织愈合机制示意图。    

图12. 伤口愈合机制。A)抗原释放激活免疫的图解。B)ZnO-CuS在抗炎阶段的多重作用。    

图13. ZnO-CuS的生物安全性。A)实验小鼠主要器官组织的H&E染色。B-M)对照组与ZnO-CuS组血常规及生化水平（n = 3）。         

结论    

在这项工作中，成功研制出了具有杀菌和消炎效果的 ZnO-CuS 微球。ZnO-CuS由氧化锌和硫化铜组成。这两种成分的结合可以大大提高对细菌的杀灭效果。CuS 的酶样活性取决于 pH 值。在酸性环境中，CuS 表现出类似 POD 和 GSH-Px 的活性，可将过氧化氢转化为羟基自由基，从而达到杀菌效果。带正电荷的氧化锌可增强 ZnO-CuS MSs 对细菌的粘附力，结合氧化锌的内在抗菌特性，可大大提高杀灭细菌的能力。随着 ZnO 在酸性条件下逐渐降解，伤口微环境逐渐变为中性。在中性条件下，CuS 可清除 ROS，并能将多余的 ROS 转化为水和氧气。在组织修复过程中，ZnO-CuS 可促进细胞迁移和血管生成，降低促炎因子的水平，从而实现伤口的快速修复。动物伤口组织的转录组测序结果表明，ZnO-CuS 微晶体可通过激活 IL-17 和 NF-𝜅B 信号通路实现抗菌活性和快速伤口愈合。溶血、器官切片、血常规分析和生化分析表明 ZnO-CuS 具有良好的生物安全性。这项工作为治疗感染伤口提供了一种新策略。纳米酶可破坏细菌外膜、清除 ROS、激活免疫系统并减轻炎症反应，从而加速感染伤口的愈合。这种治疗策略结合了多种类酶活性和多组分化合物的协同作用，为治疗感染性伤口提供了一种新方法。

全文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202406356

参考文献：W. Zhang, Y. Lv, Q. Niu, C. Zhu, H. Zhang, K. Fan, X. Wang, Zinc Oxide-Enhanced Copper Sulfide Nanozymes Promote the Healing of Infected Wounds by Activating Immune and Inflammatory Responses. Small 2024, 2406356.

DOI: 10.1002/smll.202406356

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