清除耐藥細菌感染：紅外二區(qū)NIR‐II光增強催化活性納米酶
圖1 a：NIR-II光響應(yīng)的Cu2MoS4納米材料殺死細菌的示意圖。 a）制備Cu2MoS4納米材料（CMS NPs），b）NIR-II光增強了CMS NPs的雙重酶催化活性，可在體外清除耐藥的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，c）CMS NPs用于治療耐藥性金黃色葡萄球菌的體內(nèi)感染。
耐藥細菌正在不斷成為威脅人類健康的因素之一。因為缺少有效的抗生素治療，全球每年約有70萬人次死于耐藥細菌感染。因此，迫切需要有效替代抗生素的策略來對抗耐藥細菌感染。
基于納米酶的催化作用被認為是具有潛在抗菌特性的一種治療策略。納米酶能在某些條件下，激發(fā)出活性氧（ROS）而殺死細菌。
Cu2MoS4（CMS）是具有強催化活性的三元硫族化物，在紅外二區(qū)NIR-II有強吸收性，具有作為紅外二區(qū)NIR-II光響應(yīng)納米催化劑的潛力。首先，作者制備CMS并將其做成CMS NPs（圖1 a）。
首先，作者制備出合適大小的CMS NPs，通過測定，其平均大小約為28 nm（圖1 a），厚度約為12 nm（圖1 b）。此外，作者對納米材料構(gòu)像分析，發(fā)現(xiàn)其各元素在納米材料中均勻分布（圖1 d）。
圖1：CMS NPs的表征。a）TEM圖像，b）AFM圖像和c）CMS NPs的HRTEM圖像。d）CMS NPs的HAADF‐STEM圖像和Cu，Mo和S的元素映射圖像，比例尺為20 nm。e）CMS NPs的XRD圖譜。CMS NPs中f）Cu 2p，g）Mo 3d和h）S 2p的原子軌道分析圖。i）CMS NPs的FT-IR光譜。
隨后，作者測定了CMS NPs的光學(xué)特性。CMS NPs的吸收光譜從紫外區(qū)一直延伸到NIR-II 區(qū)（圖2 a）。在有紅外二區(qū)NIR-II激光照射下，CMS NPs的水溶液可在10 min時迅速升溫到39.3℃，表現(xiàn)良好的光熱性和穩(wěn)定性（圖2 b，2 c）。同時，在紅外二區(qū)NIR-II激光激發(fā)下，CMS NPs具有良好的類氧化酶特性并可以產(chǎn)生H2O2（圖2 d，2 e，2 f）。不僅如此，紅外二區(qū)NIR-II激光還能增強CMS NPs的類過氧化酶特性（圖2 g）。
圖2：CMS NPs的光學(xué)特性，光熱特性和類酶性質(zhì)。a）不同濃度CMS NPs溶液的UV-vis-NIR吸收光譜，b）在NIR-II（1064 nm，1 W cm-2）下的光熱曲線。c）在NIR-II激光照射（1064 nm，1 W cm-2）下，CMS NPs水溶液（40 µg mL-1）的重復(fù)加熱/冷卻曲線。d）以AA為底物時，測定CMS NPs的類氧化酶特性。e）谷胱甘肽與不同濃度的CMS NPs孵育后，測定其損失率。f）CMS NPs的NIR-II光增強類氧化酶特性。g）以TMB為底物時，測定CMS NPs的類過氧化酶特性。h）測定三組溶液中•OH生成的量（單獨使用H2O2，H2O2 +CMS NPs，以TA作為熒光指示劑）。i）NIR-II激光能增強CMS NPs的類過氧化酶特性。
接下來作者做了CMS NPs對耐藥細菌體外抑制的實驗。在沒有紅外二區(qū)NIR-II激光時，隨著CMS NPs濃度提升，會對耐藥的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生長產(chǎn)生抑制作用。同時，給予紅外二區(qū)NIR-II激光照射后，兩株細菌生長性能會更大幅度被抑制（圖3 a，3 b，3 c，3 d）。經(jīng)過CMS NPs孵育后的細菌形態(tài)出現(xiàn)不完整，破碎的改變，紅外二區(qū)NIR-II激光照射會增大耐藥菌的形態(tài)改變（圖3 e，3 f）。作者還發(fā)現(xiàn)，CMS NPs是通過增加體系中的ROS含量來抑制細菌活性，同時這種抑制特性與溫度的升高關(guān)聯(lián)性并不大（圖3 g，3 h，3 i，3 j）。
圖3：CMS NPs的體外抗菌活性。在有無NIR-II激光照射（1064 nm，1 W cm-2）和不同濃度（0、5、10、20和40μg mL-1）處理的a）耐藥性大腸桿菌和b）耐藥性金黃色葡萄球菌的菌落照片。CMS NPs（0、5、10、20和40 µg mL-1）與c）耐藥性大腸桿菌和d）金黃色葡萄球菌共孵育后的殺菌效率。e）耐藥性大腸桿菌和f）耐藥性金黃色葡萄球菌在生理鹽水（對照）和CMS NPs分散液（40 µg mL-1）的SEM圖像，比例尺，1 µm。在NIR-II激光照射（1 W cm-2）下作用10分鐘，分別使用g）H2O2清除劑（過氧化氫酶）和h）•OH清除劑（異丙醇），計算CMS NPs對耐藥性大腸桿菌的殺菌效率。i）評估CMS NPs處理后的耐藥性大腸桿菌的細胞內(nèi)ROS水平。j）高溫對CMS NPs抑制耐藥性大腸桿菌活性的影響。（均值±SD，n = 3，** p <0.01，*** p <0.001和**** p <0.0001）。
接下來，作者探究了CMS NPs潛在的治療作用。首先，作者建立了小鼠金黃色葡萄球菌感染模型（圖4 a）。在感染部位注射CMS NPs（4 mg Kg-1）后，使用紅外二區(qū)NIR-II激光照射（1064 nm，1 W cm-2）5分鐘，注射區(qū)溫度升高17℃，遠遠超過對照組（圖4 b，4 c）。在治療16天后，治療組癥狀消失，與對照組形成顯著差異（圖4 d-4 h）。這表明CMS NPs具有良好的治療細菌感染的能力。
圖 4：CMS NPs的體內(nèi)抗菌研究。a）CMS NPs的治療過程。經(jīng)CMS NPs 和鹽水處理的小鼠皮下膿腫區(qū)的b）紅外熱圖像和c）溫度變化。d）在治療后第0、8和16天，小鼠的皮下膿腫照片。e）治療后小鼠的病變區(qū)域大小。治療后第16天不同組感染區(qū)域細菌菌落f）照片和g）菌量分析（均值±SD，n = 3，** p <0.01）。h）在治療后第16天經(jīng)過不同處理后的感染組織H＆E染色結(jié)果，比例尺為100 µm。
結(jié)論：作者開發(fā)了一種具有雙重酶性、光熱性的新型紅外二區(qū)NIR-II光響應(yīng)的抗菌納米酶CMS NPs。在紅外二區(qū)NIR-II激光照射下，其具有良好的光熱性能，同時可以產(chǎn)生大量的ROS。在體外能夠?qū)δ退幮源竽c桿菌和金黃色葡萄球菌產(chǎn)生殺傷。在治療小鼠耐藥性金黃色葡萄球菌感染時，CMS NPs能夠有效減少炎癥，治療感染，具有作為有效抗菌劑的潛力。
文章來源：Jingyang Shan, et al. Cu2MoS4 Nanozyme with NIR‐II Light Enhanced Catalytic Activity for Efficient Eradication of Multidrug‐Resistant Bacteria. Small, 2020.
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