西南民族大學Theranostics：多金屬氧酸鹽(Polyoxometallates)的生物膜微環境調控與光熱增強高效抗菌

目前，由于濫用抗生素而產生的生物膜對全球公共衛生造成嚴重威脅。這類薄膜是導致抗菌治療失敗的主要因素。因此，開發新型抗菌劑或策略迫在眉睫。

多金屬氧酸鹽(Polyoxometallates, POMs)是一類典型的無機納米團簇，主要由過渡金屬或稀土元素與氧配體通過橋氧鍵鏈接而成。由于其具有獨特的電學結構和優越的理化性能，可作為類過氧化物酶催化相應底物產生活性氧(ROS)，而且在細菌生物膜微酸和還原性條件下，POMs可自組裝產生大的聚集體，同時增強近紅外光吸收，提高其光熱轉換效應，從而在抗菌領域展現出廣闊的應用前景。但是，單一的類過氧化酶反應活性或光熱治療效應有限，生成的ROS往往難以高效作用于細菌，從而影響其抗菌活性。因此，將類酶催化活性和光熱增強催化效應的有機結合是實現多金屬氧酸鹽高效抗菌的關鍵。

【成果簡介】

近日，西南民族大學化學與環境學院雍媛課題組報道了一種具有優異生物膜微環境調控的新型鎢基多金屬氧酸鹽納米團簇(GdW₁₀O₃₆?NCs)。在外界808 nm近紅外激光的照射下，GdW₁₀O₃₆?NCs被還原所形成的還原型多金屬氧酸鹽納米團簇(reduced GdW₁₀O₃₆?NCs)表現出強的近紅外線吸收和高的光熱轉化效應，且表現出材料尺寸，濃度和激光功率密度多重依賴性。并且，在聯合外界808 nm近紅外激光和體內極低濃度的過氧化氫(H₂O₂, 100 μM)的情況下，低濃度的reduced GdW₁₀O₃₆?NCs (100μg/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85 %以上。通過抗菌機理的研究發現，reduced GdW₁₀O₃₆?NCs不僅能夠通過其類過氧化物酶的催化性質，促進細菌內源性低濃度H₂O₂產生大量活性氧物質(ROS)，有效的促進ROS對細菌的殺傷，而且生物膜微環境的酸性和還原性還可以導致reduced GdW₁₀O₃₆?NCs自組裝產生大的聚集體，促使其累積在生物膜表面，同時增強近紅外光熱轉換效應，極大的增強了抗菌效果。動物實驗進一步表明，reduced GdW₁₀O₃₆?NCs可以有效清除感染傷口中的大腸桿菌(E.?coli)，并快速促進傷口的愈合。該研究成果以題為“Bacteria responsive polyoxometalates nanocluster?strategy to regulate biofilm microenvironments for?enhanced synergetic antibiofilm activity and wound?healing”發表在國際著名期刊Theranostics上。碩士生張月通和皮洋為共同第一作者，通訊作者為雍媛副研究員。

圖一、GdW₁₀O₃₆?NCs的制備和抗菌作用示意圖

(a)?通過重結晶方法合成GdW₁₀O₃₆?NCs及reduced GdW₁₀O₃₆?NCs；

(b)?reduced GdW₁₀O₃₆?NCs在調控生物膜微環境并催化產生ROS殺死細菌。

圖二、GdW₁₀O₃₆?NCs的制備、結構與性質表征

GdW₁₀O₃₆?NCs及reduced GdW₁₀O₃₆?NCs的(A)制備過程，(B-D) TEM圖像，(E) TEM圖像相應的粒徑分布，(F-G) reduced GdW₁₀O₃₆?NCs的UV-vis-NIR吸收光譜，(H) reduced GdW₁₀O₃₆?NCs的XPS全譜圖，(I-J) GdW₁₀O₃₆?NCs還原前后W元素的XPS譜圖。

圖三、reduced GdW₁₀O₃₆?NCs的光熱抗菌效應

reduced GdW₁₀O₃₆?NCs光熱效應的激光功率密度(A)、濃度(B)及pH(C)依賴性，不同pH條件下reduced GdW₁₀O₃₆?NCs產生的光熱效應紅外圖(D)。

圖四、reduced GdW₁₀O₃₆?NCs的類過氧化物酶活性及催化機制

采用基底TMB (A)、OPD (B)和活性氧物質探針TA(C)探索reduced GdW₁₀O₃₆?NCs的類過氧化物酶活性，(D-E) reduced GdW₁₀O₃₆?NCs的催化機制。

圖五、reduced GdW₁₀O₃₆?NCs的抗菌活性

reduced GdW₁₀O₃₆?NCs處理后大腸桿菌(A-B)和金黃色葡萄球菌(C-D)的失活效率。

圖六、reduced GdW₁₀O₃₆?NCs的抗生物膜活性

reduced GdW₁₀O₃₆?NCs處理后大腸桿菌生物膜(A-B)和金黃色葡萄球菌生物膜(C-D)的抑制效率。reduced GdW₁₀O₃₆?NCs處理后大腸桿菌生物膜和金黃色葡萄球菌生物膜的熒光圖(E)。

圖七、reduced GdW₁₀O₃₆?NCs的治療小鼠傷口感染

(A)不同處理條件下小鼠傷口的愈合程度；(B)治療過程中小鼠體重的變化；(C)治療結束后不同條件下小鼠傷口的照片；(D)治療結束后小鼠的傷口組織切片的H＆E、Masson和Giemsa染色圖。

【總結】

綜上所述，作者報道了一種具有類過氧化物擬酶催化活性和光熱增強催化抗菌能力的新型抗菌劑(GdW₁₀O₃₆?NCs)。其還原型(reduced GdW₁₀O₃₆?NCs)具有高效的廣譜抗菌活性和優異的細菌生物膜調控性能。抗菌機理的研究表明，reduced GdW₁₀O₃₆?NCs具有過氧化物的類酶活性，能夠催化體內極低濃度H₂O₂產生ROS；并且在生物膜微環境的酸性和還原性條件下， reduced GdW₁₀O₃₆?NCs能夠自組裝產生大的聚集體，促使其累積在生物膜表面，同時增強近紅外光熱轉換效應，從而極大地提高其抗菌效率和抗生物膜活性。同時，體外和活體的實驗也同樣表明，reduced GdW₁₀O₃₆?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GdW₁₀O₃₆?NCs的新型抗菌劑，為提高細菌感染引起的疾病治愈率提供新的思路。

文獻鏈接：Bacteria responsive polyoxometalates nanocluster strategy to regulate biofilm microenvironments for enhanced synergetic antibiofilm activity and wound healing（Theranostics,?2020; 10(22): 10031-10045. doi: 10.7150/thno.49008）

通訊作者簡介

雍媛，女，西南民族大學，化學與環境學院副研究員，碩士生導師。四川省“千人計劃”青年人才獲得者，研究方向：無機抗腫瘤納米藥物的制備及其在生物醫學應用研究。

本文由作者團隊供稿。