南京郵電大學 ACS Nano：Cu2WS4納米酶的細菌選擇性結合與高效抗菌

【背景介紹】

細菌感染疾病長久以來嚴重影響著人類的健康。近年來，耐藥菌的大量形成和廣泛傳播給傳統的抗生素治療帶來極大的挑戰。因此，迫切需要開發治療細菌感染的新試劑和新手段。納米酶是一類具有類酶活性的新型納米材料。具有類氧化酶和類過氧化物酶性質的納米酶可在生理環境中催化相應底物產生活性氧（ROS），從而在抗菌領域展現出廣闊的應用前景。由于ROS的反應活性較高，在環境中擴散的距離有限，納米酶生成的ROS往往難以高效作用于細菌，從而影響其抗菌活性和生物安全性。因此，類酶催化活性和細菌結合能力的有機結合是實現納米酶高效抗菌的關鍵。

【成果簡介】

近期，南京郵電大學汪聯輝課題組報道了一種具有優異抗菌活性的Cu₂WS₄納米晶（CWS NCs）。無論是在有光照還是無光照的情況下，低濃度的CWS NCs（<2 μg/mL）對革蘭氏陰性菌（大腸桿菌）和革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌）的抑菌效率均可達5個數量級以上，顯著高于常見的抗菌納米材料（Ag、TiO₂等）及抗生素（萬古霉素和達托霉素）。通過抗菌機理的研究發現，CWS NCs不僅具有類氧化酶和類過氧化物酶的催化性質，能夠產生多種ROS，而且可以選擇性結合在細菌表面，有效的促進ROS對細菌的殺傷。動物實驗進一步表明，CWS NCs可以高效清除感染傷口中的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA），并能夠促進傷口的愈合。該研究成果以題為“Efficient Bacteria Killing by Cu2WS4 Nanocrystals with Enzyme-like Properties and Bacteria-Binding Ability”發表在國際著名期刊ACS Nano上。第一作者為單京陽博士生，共同通訊作者為汪聯輝教授和宇文力輝副教授。

【圖文解讀】

圖一、CWS NCs制備和抗菌作用的示意圖
（a）通過微波輔助合成CWS NCs；

（b）CWS NCs結合在細菌表面并催化產生ROS殺死細菌。

圖二、CWS NCs的結構與性質表征
CWS NCs的（a）TEM圖像，（b）HRTEM圖像，（c）STEM圖像和相應的Cu、W和S元素的分布，（d-f）Cu 2p、W 4f和S 2p軌道的XPS譜圖，（g）XRD譜圖，（h）Raman光譜，和（i）UV-vis-NIR吸收光譜。
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圖三、CWS NCs的抗菌活性

CWS NCs處理后大腸桿菌的失活效率（a）及其SEM圖像（b）；

CWS NCs處理后金黃色葡萄球菌的失活效率（c）及其SEM圖像（d）；

（e-f）CWS NCs與銀納米顆粒（Ag）、二氧化鈦納米顆粒（TiO2）、達托霉素（Dap）和萬古霉素（Van）的抗菌能力對比。

圖四、CWS NCs的抗菌機制
（a）過氧化氫酶（H2O2淬滅劑）和（b）異丙醇（?OH淬滅劑）對CWS NCs抗菌活性的影響；

CWS NCs對谷胱甘肽（c）和抗壞血酸（d）的氧化能力；

CWS NCs在過氧化氫存在下對TMB（e）和TA（f）的氧化。

圖五、CWS NCs的細菌結合能力

（a-h）與生理鹽水共孵育的大腸桿菌的HAADF-STEM照片與元素分布；

（i-p）與CWS NPs共孵育的大腸桿菌的HAADF-STEM照片與元素分布。

圖六、CWS NCs治療小鼠傷口感染

（a）不同處理條件下小鼠傷口的照片；

（b）治療過程中小鼠傷口面積的變化；

（c）治療后傷口中細菌數量的變化（第4天和第7天）；

（d）治療后第7天的傷口組織切片的H＆E和Masson染色圖。

【總結】

綜上所述，作者報道了一種具有細菌結合能力和催化抗菌能力的新型納米酶（CWS NCs）。CWS納米酶具有高效的廣譜抗菌活性，相同實驗條件下其抗菌性能優于一些典型的抗菌納米材料和抗生素。抗菌機理的研究表明，CWS NCs具有雙重的類酶活性，能夠催化產生ROS（過氧化氫和羥基自由基）；并且可以在細菌表面選擇性附著，從而提高其抗菌效率并減少對正常細胞可能的附帶損害。體外和活體的實驗表明，CWS NCs具有優異的抗菌活性和良好的生物相容性。總之，該工作展示了一種基于CWS的新型納米酶，其抗菌機制對于發展新型高效抗菌納米酶具有借鑒意義。

文獻鏈接：Efficient Bacteria Killing by Cu₂WS₄ Nanocrystals with Enzyme-like Properties and Bacteria-Binding Ability（ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b03868）

通訊作者簡介

汪聯輝，南京郵電大學副校長、教授、博士生導師。教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者，“萬人計劃”領軍人才。研究方向：納米光電功能材料、生物醫學光電子學等。

宇文力輝，南京郵電大學副教授、碩士生導師。研究方向：低維納米材料的可控制備及其生物醫學應用。

本文由CQR編譯。

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