浙江大學周民團隊Biomaterials：表面增強拉曼探針用于醫學影像監控下的耐藥菌感染傷口滅菌及促愈合研究

【引言】

慢性創面已經逐步成為臨床實踐中的常見傷口類型，例如創傷、燒傷、術后創口不愈合等所致的慢性傷口已經躍居發病率的首位。如果被忽視，可能會從局部感染發展為全身感染，敗血癥，多器官功能障礙。手術室中或者復雜室外環境中存在的多重耐藥性細菌，會進一步加劇這一挑戰。傳統的抗生素治療方案在耐藥菌感染疾病的療效與研發成本上難以滿足急劇增加的臨床需求，因此急需尋找新型的抗菌途徑與抗菌材料。此外，如果能實時的對傷口上殘留的細菌進行精確的影像監控，將為臨床醫生提供更加有效的途徑，來掌握治療的黃金時期。

【成果簡介】

2020年1月18日，浙江大學轉化醫學院周民研究員團隊在生物材料領域期刊《Biomaterials》在線發表題為以“Gold-Silver Nanoshells Promote Wound Healing from Drug-Resistant Bacteria Infection and Enable Monitoring via Surface-Enhanced Raman Scattering Imaging”的研究論文。該課題的主要研究內容是研發新型抗菌（特別是耐藥細菌）促傷口愈合藥物，并通過拉曼醫學影像對傷口愈合狀況進行實時監控。

【圖文導讀】

Figure 1:中空金銀納米殼顆粒光學性能調控及結構表征

a-b)中空金銀納米殼顆粒(hollow AuAgNSs)不同反應條件下的光學吸收光譜及顏色變化；c-e)透射電子顯微手段表征納米顆粒形貌及元素分布；f)XRD衍射分析成份

Figure 2:中空金銀納米殼顆粒光熱及體外拉曼性能研究

a)中空金銀納米殼顆粒不同濃度下的光熱升溫曲線；b)不同納米顆粒結合信號分子(DTTC)后的吸收光譜圖；c-d) 與e-f) 分別為hollow AuAgNSs-DTTC孵育不同數目的超廣譜β-內酰胺酶大腸埃希菌(ESBL E.coli)和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)后的拉曼信號圖譜及其統計；g)結合DTTC后，納米顆粒表面的電性反轉結果；h-i) hollow AuAgNSs-DTTC對不同數目的兩種耐藥菌的體外SERS成像圖；

Figure 3:活體傷口拉曼影像監控

a-b)感染與非感染部位結合hollow AuAgNSs-DTTC后，16h內的SERS成像能力對比圖，及其強度統計分析；c)SERS影像八天內對感染傷口的監控成像；

Figure 4:體外抗菌性能測試

a) 不同濃度hollow AuAgNSs 與ESBL coli和MRSA孵育后的照片濁度圖；b-c)不同納米顆粒對兩種耐藥菌的抗菌活性對比統計圖；對應的光熱組，使用808 nm激光照射10分鐘；

Figure 5:體外菌落形成實驗

a) 不同濃度hollow AuAgNSs 與ESBL coli和MRSA孵育后的菌落形成照片；b-c)不同納米顆粒對兩種耐藥菌的菌落形成對比統計圖；對應的光熱組，使用808 nm激光照射10分鐘；

Figure 6:死/活雙染熒光照片

死/活雙染結果說明hollow AuAgNSs在激光作用下相對于單純的Ag顆粒具有更高的細菌殺傷效果

Figure 7:不同處理組ROS熒光染色圖

ROS染色結果說明hollow AuAgNSs在激光作用下相對于單純的Ag顆粒產生更多的活性氧

Figure 8:不同處理組SEM表征

a-b) 不同形態或組成的納米顆粒與ESBL E.coli在激光照射后的SEM照片；c-d）不同形態或組成的納米顆粒與MRSA 在激光照射后的SEM照片；

Figure 9: ESBL E.coli與hollowAuAgNSs經激光照射后的元素分布SEM圖

SEM與能譜掃描結果說明細菌表面具有充分的納米粒子吸附，并產生殺傷作用

Figure 10:不同處理組TEM表征

a-b) 不同形態或組成的納米顆粒與ESBL E.coli在激光照射后的TEM照片；c-d）不同形態或組成的納米顆粒與MRSA 在激光照射后的TEM照片；

Figure 11:Hollow AuAgNSs納米凝膠表征

a-c) hollow AuAgNSs納米顆粒與透明質酸鈉形成凝膠前后的光學與光熱性能測試；d-e) hollow AuAgNSs納米凝膠與Ag納米凝膠皮膚傷口處的升溫能力對比照片；

Figure 12:感染皮膚抗菌促愈研究

a-b）不同納米顆粒凝膠在激光輔助下對感染皮膚傷口的愈合過程照片及統計圖；c)對應的HE染色圖；

Figure 13:處理動物血常規測試

血常規結果說明設計的hollow AuAgNSs 不會產生明顯的血液毒性；

總結：

浙江大學醫學附屬第二醫院/轉化醫學研究院周民團隊通過與浙江大學醫學院附屬第二醫院眼科中心合作，設計以中空金銀納米材料為基底，引入高靈敏/高分辨率的表面增強拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering）成像技術，形成多功能診療一體化納米藥物，用于精準拉曼影像監控下的耐藥菌感染傷口的滅菌與促愈合研究。該納米藥物在近紅外激光的輔助下，可以實現光熱效應、銀離子以及活性氧等多種途徑的協同殺菌作用。通過系統的體內和體外實驗研究證明，該納米藥物具有超強的光譜抗菌效果，既可有效清除普通的革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰菌，更是可以有效殺死多種難以治療的超級細菌，包括耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和超廣譜β-內酰胺酶大腸埃希菌。在超級細菌感染的小鼠皮膚慢性傷口試驗中，該藥物具有高效的滅菌效果。使得低濃度納米藥物處理后的傷口可以快速高效的滅菌，從而進一步促進慢性傷口的愈合，同時減少了銀離子過量攝取帶來的毒性問題。此外，該藥物可以實現低至300 個細菌的實時影像監測的超高靈敏度，并且至少可以實現8天以上長時間實時監控。以上結果說明，該納米藥物在影像監控下的臨床感染疾病處理上具有較高的研究價值與臨床轉化前景。

周民團隊何健與喬越為論文第一和共同第一作者。該工作得到了浙江大學醫學院附屬第二醫院眼科中心姚克教授的幫助指導。研究工作得到了浙江大學眼科中心、浙江大學惡性腫瘤預警與干預教育部重點實驗室、現代光學儀器國家重點實驗室的大力支持，該研究也得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央軍委科技委、中國博士后科學基金等項目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.119763