西北工业大学李鹏教授团队提出电致发光动力疗法

时间:2022-03-25 10:19:13 来源:CIAA 点击量:

细胞也有害,并可能导致基因突变。因此,特别需要开发灵活的治疗设备,不会引起抗生素耐药性和治疗耐药细菌感染的额外毒性。构建具有可弯曲、可折叠和可拉伸特性设备的柔性电子产品在疾病诊断和治疗领域显示出巨大的潜力。此外,由于水凝胶具有出色的保持水分和装载药物的能力,也经常用作伤口贴片。
 
鉴于此,西北工业大学黄维院士、李鹏教授、贾庆岩副教授团队提出电致发光动力疗法,通过将电致发光(EL)材料与光敏剂配合在一起,设计了一种基于水凝胶的柔性伤口敷料。敷料中的电致发光分子在电场驱动下发出荧光,激发光敏剂原位产生活性氧,能够有效杀灭>99.9%的耐药细菌。值得注意的是,这种ELDT策略由于没有抗生素而无法诱导耐药性,并通过避免额外的化学诱导剂来确保生物相容性。通过将ELDT水凝胶与柔性电池相结合,可以制备出一种完全柔性的治疗装置,避免使用大型外部光源,满足轻便和耐磨的要求,完美贴合伤口部位,有效防止感染。这种基于ELDT的柔性装置在体外和体内均取得了优异的抗菌和伤口愈合效果,为ROS诱导的灭菌提供了一种新的方法,并显示出良好的临床前景。相关工作以“An Electroluminodynamic Flexible Device for Highly Efficient Eradication of Drug-Resistant Bacteria”为题,发表在《Advanced Materials》。
\
图1:用于ELDT的水凝胶柔性器件示意图
 
ELDT 凝胶的制备和表征
 
为了实现EL激发产生ROS,基于光敏剂和EL物质的共组装,作者设计了一种新型的ELDT纳米剂,并加载到柔性双网络水凝胶(DN凝胶)中。玫瑰红 (RB) 是一种具有450-600 nm宽吸收范围的染料,被用作ELDT纳米剂的光敏剂。为了很好地匹配RB的吸光度以产生有效的ROS,应选择在此范围内具有强发射的EL材料。红荧烯(Rub)作为一种高效的EL分子,已广泛用于制备有机LED,通过电子-空穴对注入可发射520-700nm宽范围的光。Rub的发射光谱与RB的吸收光谱在很大程度上重合,创造了在电场作用下Rub发出的荧光可以被RB有效吸收的条件。因此,Rub被选为ELDT系统中 的EL材料。透射电子显微镜观察表明,制备的RB/Rub NPs是均匀的球形,平均直径约为60 nm。将RB、Rub和RB/Rub NPs分别预添加到丙烯酰胺单体(AM)溶液中,制备出不同的水凝胶,分别命名为RB凝胶、Rub凝胶和RB/RubELDT凝胶。制备的ELDT凝胶可承受伸长、压缩和变形等各种变形,因此可以作为可穿戴设备适应人体运动。
\
图2:a) RB/Rub水凝胶的合成过程。b) RB在DMSO溶液中的吸收光谱和Rub在THF溶液中的荧光光谱。c) RB/Rub NPs的TEM图像。d)RB/Rub水凝胶照片和SEM图像。e-g) ELDT 凝胶在初始状态(e)、张力 (f) 和变形(g) 下的照片。h, i) 圆柱形ELDT凝胶在初始状态 (h) 和压缩 (i) 下的变形照片
 
电致发光和活性氧的测量
 
通过荧光成像系统(CaliperIVIS Lumina II)检测电场下四种水凝胶的EL信号和强度。原始的PAM/SA DN凝胶在通电10分钟内没有发出荧光。相比之下,RB凝胶在相同条件下表现出中等的荧光信号,这可能归因于部分注入的电子-空穴对和RB分子之间的能量转移。正如预期的那样,Rub和RB/Rub ELDT凝胶均显示出可见的强荧光,表明Rub分子在电场下被成功激发。数据结果表明,三重激发的RB在将能量转移到其周围的分子氧后进一步诱导ROS的产生,这种含有RB/Rub ELDT纳米剂的柔性水凝胶具有在电场下产生杀生物活性氧的能力。
\
图3:a) 制备的四种水凝胶在3 V电压下的电导率。b,c)循环拉伸(b)和循环压缩(c)期间ELDT凝胶的电流变化。d-f) ELDT凝胶作为离子导体分别在初始状态、张力和变形下的电路图和照片
 
体外抗菌活性
 
紧接着,作者研究这种ELDT系统对耐药革兰氏阴性和革兰氏阳性致病微生物的抗菌性能。首先,将耐四环素的大肠杆菌(TRE)和耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌(MRSA)铺展在水凝胶表面,然后通过琼脂平板菌落形成单位(CFU)计数方法,对与水凝胶接触后的存活细菌进行计数。LDT水凝胶上存活的TRE和MRSA的数量减少了3.57 ±0.43和4.44 ± 0.11个数量级,这意味着分别>99.9%和99.99%的细菌失活。这些结果表明,该ELDT系统具有有效的杀菌活性,RB/Rub(0.2 mg/0.2 mg)凝胶达到理想的抗菌效果,满足细菌感染性疾病的治疗。
\
图4:a,b)在电场下制备的四种水凝胶的荧光图像(a)和荧光强度(b)。c) ELDT凝胶在通电10分钟前后产生的1O2的ESR光谱
 
血液相容性和细胞毒性研究
 
这种RB/RubELDT系统产生活性氧并有效灭活了具有临床代表性的病原体,包括耐多药的超级细菌。为了安全地利用这种ELDT材料治疗细菌感染,通过溶血和细胞毒性试验研究水凝胶的生物相容性。实验结果表明,所有凝胶对NIH3T3细胞没有有害影响,不会影响其增殖。因此,制备的ELDT凝胶与哺乳动物红细胞和成纤维细胞具有良好的生物相容性,保证了后续体内抗感染应用的生物安全性。
\
图5:a) 用 0.1%Triton X-100、DN凝胶、Rub凝胶、RB凝胶和ELDT凝胶处理的红细胞溶液的溶血百分比和照片。b) 通过alamarBlue测定,DN凝胶、Rub凝胶、RB凝胶和ELDT凝胶处理的NIH3T3细胞的细胞活力。c) ELDT凝胶处理的NIH3T3细胞的活/死荧光图像
 
ELDT装置的体内抗菌功效
 
通过在全层皮肤伤口中接种105 CFU 的MRSA超级细菌,建立Sprague-Dawley大鼠背部耐药性感染模型。结果表明,在用 PBS、DN、Rub 和RB凝胶处理的伤口组织中观察到大量的中性粒细胞,无论是否通电。在没有电的情况下,与RB/Rub凝胶接触的伤口组织中存在大量中性粒细胞。相反,用带电RB/Rub ELDT装置处理的伤口组织中,中性粒细胞数量减少,这表明由于细菌减少,炎症状态得到缓解。这些结果验证了ELDT在耐药细菌伤口感染模型中的体内抗感染效力。
\
图6:a) 体内用ELDT处理的小鼠模型。b,c)不同处理1天(b)和7天(c)后从伤口获得的MRSA菌落数。d) 使用或不使用电的ELDT凝胶处理7天后伤口组织的H&E染色图像
 
综上所述,作者提出了一种ELDT策略,可以成功地在电场下实现EL激发的耐药细菌动态治疗。基于Rub和RB共组装的ELDT纳米剂成功地实现了EL物质向光敏剂的能量转移。在ELDT方案的基础上,利用载有ELDT纳米药剂的水凝胶制备了一种柔性治疗装置,满足了伤口敷料轻巧可穿戴的要求。这种ELDT可穿戴设备在体外和体内对TRE和MRSA表现出良好的生物相容性和抗菌功效,并加速动物伤口的愈合。因此,该ELDT系统提供了一种方便、有效、非耐药的ROS参与的抗菌策略,以电代替光作为激发源,推动可穿戴柔性设备在表面耐药细菌感染治疗中的临床应用。
 
全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200334
:: 转载本网专稿请注明出处"中国抗菌产业网"

版权所有:北京云记科技有限公司 Copyright©2008-2016 kjj.com.cn All Rights Reserved 京ICP备06071330号 技术支持: 五指互联