“葡萄球菌”上交团队联合研发抗菌纳米酶，促进感染伤口的修复和再生，能够清除深部组织的生物膜感染

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来源：DeepTech深科技

近日，上海交通大学教授凌代舜联合浙江大学和杭州医学院的合作者，研发出一款仿噬菌体的抗菌纳米酶——刺突结构中空氧化锰纳米酶。

在激光照射之下，氧化锰纳米酶可以对抗金黄色葡萄球菌生物膜感染、抑制炎症反应以及促进血管生成，进而可以促进耐药菌感染的伤口修复和再生，并且其具备安全、高效的优势。

ICG@hMnOx，是他们给这款氧化锰纳米酶起的名。研究中，课题组主要通过“牺牲模板”的方法制备了这种纳米酶。

在合成过程中，通过透射电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜，他们对所有产物结构加以表征，证明 ICG@hMnOx确实拥有类噬菌体刺突结构与中空结构，其表面多孔且粗糙，可以成功负载吲哚菁绿。

此后，通过动态光散射测试和 ζ 电位测试，课题组验证发现 ICG@hMnOx 能够稳定分散在水中、以及其他常见的生物介质中。

而后，通过 X 射线光电子能谱和 X 射线衍射测试，该团队又对 hMnOx 晶相结构与表面性质加以研究，确证 ICG@hMnOx 可以氧化谷胱甘肽并催化芬顿反应。

接着，他们又开展光增强的催化性能研究。由阿伦尼乌斯方程可知，化学反应的速率与反应温度呈正相关。通过克服活化势垒和提高传质速率，热能可以促进催化反应。

通过验证他们发现 ICG@hMnOx 具有近红外光可控的光热性能，且比游离吲哚菁绿的光稳定性更强。

进一步，其又对 ICG@hMnOx 的光激活催化活性进行研究，结果发现 ICG@hMnOx 表现出光依赖的类活性酶催化活性。

这说明，ICG@hMnOx 具有近红外光激发的光热性能，能够发挥近红外光增强的催化活性。

那么，ICG@hMnOx 的“真枪实战”能力如何？针对此，课题组开展光增强的抗菌研究、以及抗生物膜活性的研究。

耐药金黄色葡萄球菌具有耐甲氧西林的特点，因此该团队以其作为模型菌株，研究了 ICG@hMnOx 的抗菌活性。在激光照射之下，他们发现 ICG@hMnOx 可以显著抑制菌落形成、破坏金黄色葡萄球菌的细胞结构并清除金黄色葡萄球菌。

单一来看，ICG@hMnOx 的光热效应抗菌活性并不算强，这说明它的抗菌效果在很大程度上依赖于自身的催化活性。

此外，在激光照射之下，他们还发现 ICG@hMnOx 能够显著抑制金黄色葡萄球菌生物膜。

这提示着在 ICG@hMnOx 的帮助之下，光热增强纳米催化治疗不仅可以对抗浮游细菌，还可以有效根除 ICG@hMnOx 生物膜。

为进一步解释 ICG@hMnOx 的作用机制，课题组又探索了它的生物膜渗透能力和细菌粘附能力。

结果发现：ICG@hMnOx 与金黄色葡萄球菌生物膜共同孵育之后，ICG@hMnOx 能够渗透进生物膜深处，而且两者的荧光信号呈现出明显的共定位。

即便在电子显微镜下，也能观察到纳米粒粘附在细菌表面。由此可见，ICG@hMnOx 具有强大的生物膜渗透能力以及细菌捕获能力。

另外，经过 ICG@hMnOx 处理之后的金黄色葡萄球菌细胞膜会被严重破坏，表现出膜电位丧失以及膜去极化的现象，这表明 ICG@hMnOx 可以通过光热增强的类纳米酶活性，充当膜表面锚定的活性氧生成器。

作为一种内源性抗氧化防御物质，谷胱甘肽可以避免氧化应激来对细菌和细胞进行破坏，进而规避治疗效果的降低。

因此，课题组也研究了 ICG@hMnOx 对谷胱甘肽的作用。结果发现：在激光照射之下，ICG@hMnOx 可以加速谷胱甘肽的消耗。

总体而言，以上结果证实在激光照射之下，ICG@hMnOx 可以多方面地对抗金黄色葡萄球菌生物膜感染，比如对抗生物膜渗透、细菌捕获和谷胱甘肽消耗等。

为了评估 ICG@hMnOx 的体内治疗效果，该团队建立了金黄色葡萄球菌感染伤口模型，并对其进行治疗。

针对此类伤口模型，当治疗条件不同时，治疗效果也不尽相同。具体来说，当 ICG@hMnOx 结合激光照射治疗时，伤口表现出更快的愈合速度、以及更少的细菌负荷。

此外，ICG@hMnOx 结合激光照射的治疗方式，可以显著减少金黄色葡萄球菌对于周围组织的浸润和侵袭。

随后，他们发现治疗之后的伤口部位，多种炎症因子的表达均得到显著降低，血管生成标志物明显升高，伤口血氧饱和度明显改善，且有大量的胶原沉积和皮肤附属物形成，这表明经过氧气和营养补充之后，ICG@hMnOx 能够促进伤口修复与再生。

此外，针对小鼠主要器官的组织病理学检查和代谢评估表明：ICG@hMnOx 具有高度的生物相容性。

至此，在发展兼具细菌壁粘附性和生物被膜穿透性的抗菌纳米酶上，课题组取得了阶段性进展。

下一步，他们将继续聚焦精准高效抗菌纳米酶的开发，从根本上解决细菌壁粘附性和生物被膜穿透性相互制约的问题。

另外，由于缺乏合适的诊疗一体化探针，目前还难以实现深部组织器官感染的及时干预和早期诊断。结合课题组在磁共振成像、光声成像和抗菌纳米酶等方面的经验和基础，针对难治性深部组织的细菌感染开发精准诊疗一体化探针，也是他们打算着力攻克的一个难题。

1.Wu, H., Wei, M., Hu, S., Cheng, P., Shi, S., Xia, F., ... & Ling, D. (2023). A Photomodulable Bacteriophage‐Spike Nanozyme Enables Dually Enhanced Biofilm Penetration and Bacterial Capture for Photothermal‐Boosted Catalytic Therapy of MRSA Infections.Advanced Science, 2301694.

运营/排版：何晨龙

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