川大梁坤能副教授和邓怡研究员团队 Nano Lett.：特洛伊木马生物异质结赋予粘接性水凝胶强大的抗菌和传感性能用于感染皮肤再生

高分子凝胶与网络 · 公众号 · · 2024-12-12 09:58

正文

请到「今天看啥」查看全文

点击上方 “ 蓝字 ” 一键订阅

传统的粘接性水凝胶由于缺乏抗菌性能，限制了其在临床医疗中的应用。为了解决这一问题，各种抗菌剂被添加到水凝胶中，其中以抗生素最为常见。然而，抗生素的滥用导致了耐药细菌的发生和发展，且抗菌剂需要长时间释放才能发挥抗菌效果，这导致细菌感染时间延长、组织修复难度增加。因此，有必要开发非抗生素的杀菌策略赋予粘接性水凝胶敷料快速抗菌的能力。近年来，与光疗相关的多模态抗菌治疗已成为快速抗菌的常见策略。但是，热休克蛋白的过表达增加了细菌的热耐受性，削弱了光热疗法（ PTT ）的治疗效果。光动力疗法（ PDT ）的抗菌效果也受到细菌抗氧化防御系统的影响。这导致单独的光疗已经不足以完全根除细菌，需要与其他治疗方式整合来解决光疗的固有缺陷。

针对上述挑战， 四川大学华西口腔医院梁坤能副教授与邓怡研究员团队 联合开发了一种特洛伊木马生物异质结（ Th-bioHJ ），该材料中的镓 (III) 因其与铁 (III) 的相似性，可以被细菌误认为必需的铁元素而主动摄取，进而破坏电子传递链并抑制细菌呼吸，该策略被称为 “特洛伊木马策略”，将其与光疗（ PTT/PDT ）结合可实现有效地快速消灭细菌。此外，该水凝胶能够实时监测人体运动，适用于可穿戴传感器。这项研究为粘接性水凝胶在感染性伤口管理中的应用提供了全新的见解。

相关研究成果已发表在《 Nano Letters 》期刊上，论文题目为 “Trojan Horse Bioheterojunction Empowers Adhesive Hydrogel with Robust Antibacterial Activity and Sensing Capacity for Infected Cutaneous Regeneration” 。

Scheme 1. 特洛伊木马生物异质结粘接性水凝胶( bioHJ-CP ) 治疗感染皮肤创面的示意图。

在该研究中，研究团队将液态金属和硫化铜构成特洛伊木马生物异质（ Th-bioHJs ），并进行了表征（图 1 ）。利用由卡拉胶（ C ）和聚丙烯酸（ P ）组成的粘接性水凝胶为载体，开发出一种新型的 bioHJ-CP 水凝胶伤口敷料。

Figure 1. Th-bioHJ的合成和理化特征。(a) Th-bioHJ合成的示意图。(b) Th-bioHJ的扫描电子显微镜（ SEM ）图像：紫色和蓝色分别表示水热反应后液态金属（ LM ）纳米块体和LM表面生长的CuS纳米颗粒。(c) Th-bioHJ的透射电子显微镜（ TEM ）和 (d) 高分辨透射电子显微镜（ HR-TEM ）图像：Th-bioHJ中LM （ 001 ）和CuS （ 102 ）的晶体晶格。(e) Th-bioHJ的能量色散光谱图：红色、绿色、蓝色、橙色分别对应元素镓（ Ga ）、铟（ In ）、铜（ Cu ）和硫（ S ）。(f) LM 、 CuS 和Th-bioHJ的X射线衍射（ XRD ）图谱。(g) LM和Th-bioHJ的X射线光电子能谱（ XPS ）图谱。(h) Th-bioHJs中镓（ Ga ）和(i) 铜（ Cu ）元素的XPS图谱。

Figure 2. bioHJ-CP 水凝胶的体外抗菌和抗生物膜能力。图像显示了 (a)金黄色葡萄球菌 ( S. aureus ) 和(b) 大肠杆菌( E. coli )在经过对照组（无额外处理）、 C 、 LM-C 、 CuS-C 和bioHJ-CP水凝胶处理前后以及在近红外(NIR)照射下的细菌菌落。SEM图像展示了与对照组、C 、 LM-C 、 CuS-C 和bioHJ-CP 水凝胶孵育前后以及NIR照射后 (c)金黄色葡萄球菌和(d)大肠杆菌的形态，三角形标记表示细菌破裂。图像显示了(e)金黄色葡萄球菌和(f) 大肠杆菌的活/死染色，活细菌呈绿色，死细菌呈红色。代表性的 (g)金黄色葡萄球菌生物膜和(h)大肠杆菌生物膜在经过对照组、C 、 LM-C 、 CuS-C 和 bioHJ-CP 水凝胶处理前后以及NIR照射后用结晶紫染色。(i) 三维重建图像展示了经过处理的金黄色葡萄球菌生物膜，通过活/死染色可视化活细菌（绿色）和死细菌（红色）。

通过大量体外实验验证， bioHJ-CP 水凝胶在光照下，显示出显著的抗菌能力，有效清除细菌生物膜（见图 2 ）。对其抗菌机制探究如下：得益于 Ga³⁺ 和 Fe³⁺ 之间的高度相似性， Ga³⁺ 也被细菌铁载体主动结合并运输进细菌内。 Ga³⁺ 的电荷更高且半径（ 0.62 Å ）比 Fe²⁺ （ 0.76 Å ）更小，因此 Ga³⁺ - 复合物可以产生更稳定的离子键，具有更高的稳定性。因此， Ga³⁺ 容易没有氧化还原活性能力的 Ga³⁺- 卟啉环，通过 “ 特洛伊木马疗法 ” 破坏电子传递链并抑制细菌呼吸。为了探索 bioHJ-CP 水凝胶对细菌铁代谢的影响，使用基于普鲁士蓝的 Fe 染色试剂盒评估了细菌对 Fe³⁺ 的摄取。如图 S8 所示， bioHJ-CP 水凝胶孵育的细菌明显减少了 Fe³⁺ 摄取，在近红外（ NIR ）照射后，细菌对 Fe³⁺ 的摄取进一步减少。定量聚合酶链反应（ qPCR ）分析进一步验证了在 bioHJ-CP + NIR 组中，与 Fe³⁺ 运输相关的 mRNA 表达被补偿性上调，包括 fepC 、 fepD 、 fepG 、 fhuB 和 fhuC （图 3d ）。细菌 TEM 的元素图谱证实了 Ga 成功进入并在细菌内部积累（图 S15 ）。辅酶 Q- 细胞色素 c 还原酶（复合体 Ⅲ ）和细胞色素 c 氧化酶（复合体 Ⅳ ）是细菌电子传递链（ ETC ）的主要成分，对细菌中的电子传递过程至关重要。这些酶中的电子传递机制通常涉及卟啉环中铁的氧化还原活性，该活性催化 Fe²⁺ 向 Fe³⁺ 的转变，并伴随着释放单个电子。 Ga³⁺- 卟啉环阻碍了细胞色素酶传递电子的能力，使细菌 ETC 陷入混乱。对复合体 Ⅲ 和 Ⅳ 的活性进行了评估。在图 3e-h 中， bioHJ-CP + NIR 组在金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的细胞呼吸链中与复合体 III 和 IV 相关的酶活性显著降低。复合体 Ⅲ 和 Ⅳ 活性的下降和细菌膜的破坏直接导致膜通透性增强和膜电位降低，采用了 RB123 和 diSC3(5) 检测金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的膜电位，发现 bioHJ-CP + NIR 引起的细菌呼吸链和细菌膜系统的严重破坏，最终导致细菌 ATP 水平明显下降。大肠杆菌转录组测序分析结果也表明与 ABC 转运相关的基因上调和与 ATP 合成相关的基因下调，证明特洛伊木马策略干扰电子转移机制，损害了能量生产并破坏了微生物的生长和代谢。

Figure 3. 抗菌机制。 (a) 特洛伊木马策略的示意图：从 bioHJ-CP 水凝胶释放的 Ga ³⁺ 作为特洛伊木马导致细菌呼吸链混乱，其中 Ga ³⁺ - 卟啉环没有氧化还原活性，无法传递电子。 (b) 经过 C 和 bioHJ-CP 水凝胶处理前后以及近红外（ NIR ）照射后的金黄色葡萄球菌（ S. aureus ）的透射电子显微镜（ TEM ）图像，红色和绿色箭头分别表示细菌细胞壁和质膜收缩。 (c) 经过 C 和 bioHJ-CP 水凝胶处理前后以及 NIR 照射后的大肠杆菌（ E. coli ）形态的 TEM 图像，红色和绿色箭头分别表示细菌细胞壁和质膜收缩。 (d) 定量聚合酶链反应探索 Th-bioHJs + NIR 组中铁离子运输相关 mRNA 表达，包括 fepC 、 fepD 、 fepG 、 fhuB 和 fhuC 。 (e) 经过 bioHJ-CP 和 bioHJ-CP + NIR 处理的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的辅酶 Q- 细胞色素 c 还原酶（ complex Ⅲ ）活性。 (f) 经过 bioHJ-CP 和 bioHJ-CP + NIR 处理的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的细胞色素 c 氧化酶（ complex Ⅳ ）活性。 (g) 经过 bioHJ-CP 和 bioHJ-CP + NIR 处理的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌中 RB123 的荧光强度。 (h) 经过 bioHJ-CP 和 bioHJ-CP + NIR 处理的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌中的 ATP 水平。 (i) 所有差异表达基因（ DEGs ）的 GO 富集评估。 (j) 对前 100 个 DEGs 进行聚类分析，探索基因表达模式。热图中的行对应基因，列对应样本，颜色强度反映基因表达水平。 (k) 氧化磷酸化的基因集富集分析（ GSEA ）图。 (l) 在 KEGG 数据库中铁离子吸收和运输途径中涉及的基因的定量分析。 (m) Th-bioHJs + NIR 处理后的差异基因表达火山图，蓝色和红色点分别对应下调和上调基因。 (n) 前 20 个 KEGG 富集评估的气泡图，圆圈代表下调，三角形代表上调，大小表示涉及的基因数量。 (o) 与碳代谢、三羧酸循环和氧化磷酸化相关的基因网络图。

Figure 4. C 组、 C+NIR 组、 bioHJ-CP 组、 bioHJ-CP+NIR 组和万古霉素（ Van ）组感染伤口愈合体内实验评估。 (a) 不同处理方法的金黄色葡萄球菌感染性伤口的实验流程图。 (b) 从第 0 天至第 6 天在 C 组、 C+NIR 组、 bioHJ-CP 组、 bioHJ-CP+NIR 组和 Van 组中接受治疗的感染性皮肤伤口照片。 (c) 在 C 组和 bioHJ-CP 组中，经过 10 分钟近红外（ NIR ）照射后伤口区域的热成像图。 (d) 体内实时光学成像追踪了在 C+NIR 组、 bioHJ-CP+NIR 组和 Van 组中，用 DiR 碘化物标记的金黄色葡萄球菌的抗菌效果。 (e) 在第 0 天， C 组、 C+NIR 组、 bioHJ-CP 组、 bioHJ-CP+NIR 组和 Van 组中感染性伤口组织中剩余活菌的数量。 (f) 在第 6 天，新生皮肤中炎症因子（ IL-6 （红色）和 TNF-α （绿色））的免疫荧光染色图像。 (g) 在第 6 天，新生皮肤中与血管生成相关因子（ CD31 （绿色）和 α-SMA （红色））的免疫荧光染色图像。 (h) IL-6 、 (i) TNF-α 、 (j) CD31 和 (k) α-SMA 在第 6 天新生皮肤中的荧光强度的定量数据分析。

Figure 5. bioHJ-CP 水凝胶传感器在人体运动检测中的应用。 (a) 用于实时监测人体运动的可穿戴 bioHJ-CP 水凝胶传感器的示意图。 (b) bioHJ-CP 水凝胶粘附在猪皮和猪软骨上的照片，在水下浸泡 1 小时后，无论如何扭曲，未观察到水凝胶脱落和撕裂。 (c) bioHJ-CP 水凝胶传感器在 (Ⅰ)腕关节弯曲、(Ⅱ) 肘关节弯曲、 (Ⅲ) 指关节弯曲和 (Ⅳ) 膝关节弯曲下的相对电阻变化。

在这项研究中，研究团队开发了一种 bioHJ-CP 水凝胶，它具有快速、强大的抗菌作用和出色的传感能力，用于治疗感染性伤口。在近红外（ NIR ）照射下， Th-bioHJs 增强了光热疗法（ PTT ）的效率，催化了光动力疗法（ PDT ）的启动，并释放了 Ga³⁺ ，通过特洛伊木马策略破坏了细菌的电子传递，迅速消除细菌。体内实验表明，该水凝胶在 NIR 激光照射下显著抑制了细菌定植和感染，刺激了血管生成，并促进了伤口愈合。此外，这种粘接性水凝胶可以作为可穿戴传感器，实现人体运动实时监测。

文章第一作者为四川大学华西口腔医学院 2022 级硕士研究生李梦和 杨英明 ，通讯作者为四川大学华西口腔医院的 梁坤能 副教授和四川大学化学工程学院邓怡研究员。特别感谢四川大学华西口腔医院徐欣教授和李继遥教授的指导。本工作得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金、四川省科技厅项目、四川省重点研发计划、成都科技支撑计划、四川大学研究项目和华西口腔医院项目的资金支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05560