第一作者：Hanyu Zhang
通讯作者：解培涛 李永新 董霄 孟浩
通讯单位：青岛大学/上海交通大学附属上海总医院医学院/青岛市立医院
研究速览：
开发临床安全的非抗生素药物仍然是对抗细菌感染的巨大挑战。在此，研究团队报道了通过磷酸铜生物矿化构建基于双天然酶菠萝蛋白酶 （Bro） 和葡萄糖氧化酶 （Gox） 的过氧化物酶样纳米花，用于协同抗菌/抗炎疗法。杂交纳米花首先发挥 Gox 活性，催化葡萄糖氧化产生 H2O2，随后转化为高反应性 ·OH 通过其过氧化物酶样活性。这种级联酶活性赋予纳米花优异的抗菌效率，在不添加外源性 H2O2 的情况下，抑制大肠杆菌 （E. coli） 和金黄色葡萄球菌 （S. aureus） 的生长 99%，从而大大减少毒副作用。同时，纳米花下调促炎细胞因子的分泌，并通过释放 Bro 抑制炎症反应，显着加速细菌感染伤口的愈合。此外，纳米花利用生物分子和内源性金属物种作为构建块，结合绿色简单的合成方法，保证了它们在实际应用中的生物安全性。总体而言，无与伦比的生物相容性和强大的抗菌/抗炎能力使纳米花成为未来临床应用中治疗细菌感染的非常有前途的候选者。
要点分析：
要点一：活性氧受关注，纳米酶虽前景好但固有特性限制其生物医学应用与临床转化，迫切需构建高效抗菌的纳米酶。
活性氧 （ROS），包括过氧化氢 （H2O2）、超氧阴离子 （O2·−）、单线态氧 （1O2） 和羟基自由基 （·OH）因其较低的多药耐药性和消灭细菌的最佳疗效而受到广泛关注。通常，最近开发的化学动力学疗法 （CDT） 采用过渡金属（例如 Fe、Cu、Mn、Co 和 Ni）基纳米材料或碳基纳米材料来催化芬顿或芬顿样反应与 H2O2 生成剧毒 ·OH，从而达到显著的抗菌杀菌效果。与天然酶相比，这些具有类似酶活性的纳米材料被称为纳米酶，表现出优异的结构稳定性、可调节的活性水平和低成本。尽管前景广阔，但这些已报道的纳米酶的固有特性通常会限制其进一步的生物医学应用和临床转化。例如，大多数金属氧化物、金属硫属化物和碳纳米酶通常受到复杂的合成过程、不明确的代谢和难以在体内降解的影响。此外，金属有机框架 （MOFs） 纳米酶（如 MIL-100 和 ZIF-67）的主要缺点是载药量低和额外载体可能引起的毒性。此外，虽然基于生物分子自组装的新兴超分子纳米酶解决了生物安全问题，但它们的生物稳定性和生物利用度较差。更重要的是，较低的生理 H2O2 浓度限制了足够的这些纳米酶产生 ·OH 以有效杀死细菌，而添加额外的 H2O2 不可避免地会对正常组织产生一些毒副作用。因此，迫切需要通过使用生物衍生试剂和内源性金属物种作为构建块，构建具有较高 ·OH 生成效率和显着的抗菌活性。
要点二：炎症是抗菌治疗的挑战，理想纳米酶需兼顾抗菌与抗炎，菠萝蛋白酶有抗炎等优势可用于纳米酶开发。
抗菌治疗的另一个挑战是炎症，这是由免疫系统对细菌感染的反应触发的。据报道，长期炎症会导致细胞死亡和组织损伤，并最终延迟伤口愈合并促进过度瘢痕形成。因此，在伤口的早期阶段抑制促炎反应可以防止随后的过度和持续的炎症模式，并为伤口愈合营造支持性环境。然而，大多数抗菌剂经常忽视抗炎活性。因此，用于伤口愈合的理想纳米酶不仅需要抑制细菌的生长，还需要调节异常炎症。菠萝蛋白酶 （Bro） 是一种从菠萝中提取的生物活性蛋白水解酶，由于其抗炎和免疫调节特性，已被广泛用于治疗高危烧伤创面。Bro 在临床上已被用作类风湿性关节炎、软组织损伤、结肠炎症、慢性疼痛和哮喘的抗炎剂。此外，结合安全性和低成本的优势，Bro 可以在抗菌纳米酶的开发中起到抗炎作用。
要点三：研究团队开发基于双酶的杂交有机-无机纳米花用于协同抗菌/抗炎疗法促进伤口愈合，展现良好应用前景。
研究团队开发了基于双酶的杂交有机-无机纳米花，通过仿生矿化具有内在的过氧化物酶样活性，用于协同抗菌/抗炎疗法，促进伤口愈合（方案 1）。以葡萄糖氧化酶 （Gox） 和 Bro 两种天然酶为成核模板，铜离子为无机组分，通过简单温和的水合成构建花状纳米酶 （Cu/Bro/Gox），保证了高水平的生物相容性和生物安全性。Gox 可以催化葡萄糖产生葡萄糖酸和 H2O2，在级联催化产生丰富的 ·OH 时，可以激活和提高 Cu2+ 介导的过氧化物酶活性，导致显著的抗菌效果。同时，Bro 可以下调炎症因子的表达，诱导巨噬细胞极化，从而促进伤口愈合。因此，Cu/Bro/Gox 可以同时实现杀菌和抗炎反应，促进感染部位的快速恢复，同时消除潜在的不良副作用。总之，研究团队的工作证明了通过利用生物矿化策略和具有不同功能的多种天然生物大分子作为构建模块来开发多功能抗菌材料，在传染病的临床治疗中呈现出巨大的前景。
图文导读
方案1 Cu/Bro/Gox的合成及细菌感染的抗菌消炎联合治疗示意图
图 1. 在a 0.15 mg mL-1 的 Bro 和 0.5 mg mL-1 的 Gox、b 0.3 mg mL-1 的 Bro 和 0.5 mg mL-1 的 Gox、c 0.5 mg mL-1 的 Bro 和 0.5 mg mL-1 的 Gox、d 0.15 mg mL-1 的 Bro 和 0.75 mg mL-1 的 Gox、 e 0.15 mg mL-1 的 Bro 和 1.0 mg mL-1 的 Gox。在 f 0.1 mg mL-1 的 Gox 和 g 1.5 mg mL-1 的 Gox 中制备的 Cu/Gox 的 SEM 图像。在 h 0.15 mg mL-1 的 Bro 和 i 0.3 mg mL-1 的 Bro. j 制备的 Cu/Bro 的 SEM 图像与 Cu/Bro/Gox 的 EDS 元素映射耦合。Cu/Bro/Gox、Cu/Bro 和 Cu/Gox 的 k XRD 图谱。l Cu/ Bro/Gox、Cu/Bro 和 Cu/Gox 的 FT-IR 光谱。m Cu/ Bro/Gox 的高分辨率 Cu 2p XPS
图 2. a 在 Cu/Bro/Gox 和葡萄糖存在下 TMB 的时间依赖性吸光度变化。b 在仅存在 Cu/Bro/Gox 的情况下 TMB 的时间依赖性吸光度变化。c 在 Cu/Bro/Gox 和葡萄糖存在下 MB 随时间的降解。d 含或不含葡萄糖的 Cu/Bro/Gox 溶液的 pH 值变化。e 含或不含葡萄糖的 Cu/Bro/Gox 溶液的 O2 浓度变化 （n = 3）。f Cu/Bro/Gox 与 H2O2 底物的米氏动力学和 g 双倒数作图法 （n = 3）。h Cu/Bro/Gox 与葡萄糖底物的米氏动力学和 i 双倒数作图法 （n = 3）
图 3. a 金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在指定处理后形成的菌落的照片。不同处理后的b 金黄色葡萄球菌和 c 大肠杆菌的存活率。d 金黄色葡萄球菌和大肠杆菌暴露于指定制剂后的 SEM 图像。炎性细胞因子 e TNF-α 和 f IL-6 在不同组 LPS 预处理的巨噬细胞 RAW264.7 细胞中的表达。数据以 SD ±平均值表示，统计差异由学生的检验确定。*p < 0.05;**p < 0.01
图 4. a 不同处理的大鼠在第 0 天、第 1 天、第 3 天、第 5 天和第 7 天感染金黄色葡萄球菌感染伤口的照片。b 来自不同处理组组织的细菌菌落的照片。c 7 天后不同治疗组的伤口面积。d 不同处理后大鼠的体重。e 数据以 SD ±平均值表示，统计差异由学生的检验确定。**P < 0.01
图 5. 治疗后第 7 天从不同大鼠身上收获的感染皮肤的 H&E 染色图像。感染区域皮肤组织中 b TNF-α 和 c IL-6 的 IHC 染色。d 吞噬巨噬细胞中表达的 CD68 的 IHC 染色图像。用 e TNF-α、f IL-6 和 g CD68 对阳性细胞进行相应的定量。数据以 SD ±平均值表示，统计差异由学生的检验确定。*p < 0.05
结论
综上所述，通过简单、经济和绿色的仿生矿化策略，成功构建了两种具有级联催化抗菌和抗炎活性的天然酶 Bro 和 Gox 基纳米花 （Cu/Bro/Gox）。Gox 的存在催化葡萄糖转化为葡萄糖酸和 H2O2，它们是过氧化物酶样 Cu/Bro/Gox 的底物，生成剧毒 ·OH 用于杀死细菌。在葡萄糖存在下，Cu/Bro/Gox 在体内和体外均表现出显着的抗菌活性，有效对抗与直接引入高浓度 H2O2相关的潜在毒性作用。同时，Cu/Bro/Gox 显著抑制巨噬细胞相关炎症因子 （TNF-α 和 IL-6） 的表达和促炎活性，从而保护正常细胞免受炎症反应并促进伤口愈合。更重要的是，Cu/Bro/Gox 表现出高生物相容性和低内吸毒性。因此，使用生物分子和内源性金属物种作为构建单元的具有抗菌/抗炎活性的纳米花作为进一步治疗细菌感染应用的抗生素替代品具有很大的前景。
全文链接：https://doi.org/10.1007/s42114-024-01086-z
参考文献：Dual natural enzyme-tuned biomineralized nanoflowers for boosting cascade catalytic antibacterial therapy and relieving inflammation. Hanyu Zhang, Mingdi Zheng, Meng Hao, Xiao Dong, Gemeng Liang, Jinshuo Zou, Yongxin Li, Peitao Xie. Advanced Composites and Hybrid Materials.2024, DOI: 10.1007/s42114-024-01086-z.
作者及团队介绍
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