南方科技大学蒋兴宇教授团队开发出新型光敏金属有机框架 (MOFs) 抗菌策略

时间:2022-05-12 10:05:25 来源: 点击量:

多药耐药细菌(MDR)感染导致的死亡人数逐年增长,预计将会在2050年成为主要的死亡原因。幸运的是,纳米材料包括贵金属纳米粒子,半导体,和碳材料可以对抗多药耐药细菌。然而,由于细菌耐药性的增加,人们对各类杀菌剂的需求从未停止。光动力疗法(PDT) 可以激活光敏剂 (PS) 在特定光线下产生细胞毒性活性氧 (ROS)。ROS相对安全有效,不易引起抗生素耐药性,已成功应用于抗多药耐药菌。金属有机框架(MOFs)是由金属离子或金属簇与有机配体构成的功能材料,已在不同领域发挥作用。使用MOFs的PDT可以减少PS分子的自猝灭和聚集,并在多孔情况下快速扩散ROS。虽然MOFs已作为光催化材料消灭细菌以快速控制细菌感染,光敏MOFs的杀菌活性仍然受到ROS超短扩散距离的限制。
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鉴于此,南方科技大学蒋兴宇教授/中国科学院成都生物研究所天然产物研究中心邵华武研究员创造性地将硼酸配体和光敏卟啉Cu(II)引入到Zr-MOF中,通过一锅水热合成策略提高细菌结合效应和抗菌能力。细菌表面糖类中所含的顺式-邻-二羟基结构共价与硼酸结合,使MOFs提高识别细菌能力。另外,MOFs中的光敏卟啉Cu(II)可以发挥优异的PDT作用,在光照射下快速产生大量的ROS,灭活细菌。由于硼酸封闭了细菌与细菌的物理间隙,并且通过添加Cu(II)增强了ROS的产生,高度生物相容的多元MOFs可以作为一种可控的广谱杀菌剂,用于快速消除多药耐药细菌。此外,在体内实验表明,多元MOFs可以有效治愈多药耐药革兰氏阳性或革兰氏阳性病原体感染的慢性伤口。该工作为开发靶向抗菌剂和设计用于多种生物医学应用(如靶向抗肿瘤药物)的多功能MOFs提供参考。
 
多元MOFs的制备和表征
 
研究人员采用市售的[5,10,15,20-tetrakis(4-carboxyphenyl) porphyrinato] copper(II) (TCPPCu)和2-borono-1,4-benzenedicarboxylic acid (BBDC)作为混合刚性骨架和ZrCl 4作为金属源,在一步水热反应下构建多元MOFs。X射线衍射 (XRD) 曲线显示,多元MOFs保持了与UiO-66相似的结构。此外,TCPPCu-BBDC具有出色的稳定性,即使在NaCl、PBS和培养基中7天也能保持完整的结构。通过动态光散射 (DLS) 进行的Zeta电位分析表明,MOFs为阳性,表明MOFs可以与阴性细菌表面的静电相互作用增加与细菌的粘附。
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图1 | 多元MOFs的形态特征
 
多元MOFs的体外抗菌性能
 
研究人员选择了四种细菌菌株,包括抗生素敏感的革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)和革兰氏阴性菌(大肠杆菌)及其对应的临床多重耐药分离株:多重耐药金黄色葡萄球菌(MRSA)和MDR大肠杆菌,作为模型细菌。作者测量了600 nm处细菌悬浮液的光密度以反映细菌的生长抑制。所有细菌在可见光照射下在Luria-Bertani(LB) 液体培养基中用或不用 TCPPCu-BBDC培养30分钟。12 h数据显示,所有未经TCPPCu-BBDC处理的细菌均呈对数快速增长,而处理过的细菌没有生长。添加MOFs的细菌OD值在24 h后仍然很低,表明TCPPCu-BBDC可以有效抑制细菌的增殖。
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图2 |多元 MOFs 的抗菌性能
 
TCPPCu-BBDC的初步抗菌机制和细菌粘附作用
 
为了阐明潜在的抗菌机制,作者使用共聚焦显微镜观察细菌外膜是否可以被TCPPCu-BBDC 介导的PDT效应破坏。结果显示,细菌用TCPPCu-BBDC处理30分钟光照射时,细菌膜表面出现明显的孔洞和皱纹。因此,TCPPCu-BBDC通过ROS介导的细菌膜破裂具有很强的抗菌能力。另外,MOFs带正电荷,细菌外膜带负电荷。硼酸修饰的MOFs (TCPPCu-BBDC) 可以通过在细菌表面具有丰富糖类的共价键粘附在细菌上。此外,由Zr 6和BBDC分子构建的纯UiO-66和UiO-66-B(OH) 2周围的电势模拟表明硼酸基团的引入对MOFs的电势影响不大,这可以解释硼酸基团与细菌表面的顺式-o-二羟基的共价相互作用是细菌粘附的主要原因。
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图3 | MOFs潜在的抗菌机制
 
TCPPCu-BBDC的生物相容性
 
生物安全性是生物医用材料应用的重要评价指标。选择人脐静脉内皮细胞 (HUVECs) 和 3T3细胞来测试TCPPCu-BBDC的细胞毒性。当MOFs浓度达到280 μg mL –1 时,超过95% 的HUVECs和3T3细胞仍保持活力。另外,作者通过分析血液、肝脏和肾脏的生物标志物和主要器官的组织病理学评估了TCPPCu-BBDC的体内生物相容性。结果表明,生化指标参数保持在正常参考范围内。心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏的组织病理学表明,TCPPCu-BBDC 未能出现明显的感染或明显的炎症。因此,TCPPCu-BBDC具有较高的生物相容性,可为体内应用提供保障。
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图4 | MOFs的生物相容性
 
MOFs的伤口愈合评估
 
为了评估来自TCPPCu-BBDC的MRSA和MDR大肠杆菌感染后的体内伤口愈合,作者建立了背侧皮肤切开的大鼠模型。作者在不同时间间隔的愈合过程中检测伤口情况。结果显示,TCPPCu-BBDC治疗组的伤口愈合性能优于对照组。此外,TCPPCu-BBDC治疗组的残留细菌数量显着低于对照组。结果表明TCPPCu-BBDC的抗菌能力是加速细菌感染慢性伤口愈合的主要原因。
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图5 | 评估MOFs在感染MRSA或MDR大肠杆菌的慢性伤口愈合中的治疗性能
 
结论:在这项工作中,作者制备了包含识别和杀菌功能的多元MOFs,以一种简便稳定的方法提高抗菌能力。多元MOFs可以作为一种靶向的广谱抗生素,快速根除耐多药的细菌。最重要的是,这种结合治疗策略有利于最大限度地减少非特异性药物积累和减少对正常组织的进行性破坏,这也适用于其他疾病。
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全文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c11613
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