Adv. Mater.：將sp2碳共價有機框架上的單原子活性位點設計為誘導細菌類鐵死亡現象，以實現強效的抗感染治療

一、【導讀】

抗菌藥物耐藥性嚴重影響了傳統化療方案，并持續成為全球性的健康問題。細菌可以采用各種策略來避免傳統抗生素治療中對生長的抑制，包括酶失活和靶點修飾。此外，它們還可以通過重新編程宿主代謝、干擾降解途徑和抑制免疫細胞的方式引發后抗生素擴張和復發/持續感染。因此，尋找能夠規避抗生素耐藥性的替代策略至關重要。

鐵死亡是一種依賴于鐵離子和脂質過氧化的細胞死亡形式，已在多個生物學背景下被發現，涉及發育、衰老、免疫和癌癥等方面。迄今已經描述了多種誘導鐵死亡的策略，包括鐵傳遞、系統Xc^?的抑制、谷胱甘肽（GSH）耗竭和谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）的抑制。最終導致鐵死亡的精確機制可能涉及對細胞膜完整性的破壞，通過脂質交聯來破壞膜性質，并進一步由多不飽和脂肪酸鏈產生的活性氧自由基（ROS）對大分子和細胞結構造成氧化損傷。有人假設，調控鐵死亡的經典調控途徑中的關鍵分子可能是克服藥物耐藥性的潛在途徑。

新興的基于鐵的納米材料，包括鐵氧釤、納米鐵硫化物和鐵有機框架，已被應用作為誘導鐵死亡的催化劑，其中Fe²⁺推動了Fenton反應。例如，已經嘗試將鐵離子引入亞穩態的Fe₃S₄（格雷吉特）或FeSO₄中，以促進鐵超載引發的GSH消耗，從而導致細菌類似鐵死亡的發生。基于鐵鐵氧化物的納米組裝體也被用作誘導細菌類似鐵死亡的催化劑，通過引發細胞內鐵超載和干擾鐵代謝。

然而，目前用于誘導細菌類似鐵死亡的基于鐵的納米材料仍然不盡人意，通常需要非常高的鐵劑量或輔助成分才能達到協同效應。另外，直接傳遞鐵物質可能會對正常組織產生有害影響，如神經毒性、氧化應激和過敏反應。單原子催化劑（SACs）近年來在化學催化領域成為令人興奮的前沿技術，因其精確確定的活性中心、穩定的催化性能和高穩定性。SACs可以被看作是在原子層面上精確設計納米催化材料的極限。特別是，它們已被用作仿生納米酶，模擬自然酶的結構和優異的催化能力，有效產生過量的ROS來抑制細菌或腫瘤。例如，Qu等人報道了一種自適應的基于鐵的SAC，加速選擇性和安全的鐵死亡；一種非鐵基的Pd-SAC模擬了雙過氧化酶（POD）和谷胱甘肽氧化酶（GSHO_x）的活性，也有效誘導了通過上調LPO和ROS表征的鐵死亡。不幸的是，考慮到細菌細胞內H₂O₂水平較低，單獨的Fenton反應難以產生足夠的ROS，這削弱了傳統SACs的催化治療效果。

最近，將孤立的活性金屬中心固定在固體支撐上代表了光化學領域的創新突破。由合適的構建基元和有機功能基團組成的納米尺度共價有機框架（COFs）因其可調節的微觀結構和光電性質而成為非常有前景的載體，優于傳統的催化劑支撐材料。探索利用COFs作為支撐材料構建SACs以滿足鐵死亡需求的可能性已經被研究。各種單原子金屬中心固定在COFs上可以呈現出有效的光催化作用。許多研究證明，Ir和Ru等過渡金屬元素可以作為單原子活性位點，而不破壞框架結構，用于構建高性能光化學催化劑。向裸露的光催化劑中加入單個過渡金屬原子可以擴展光響應范圍，縮短電子傳輸距離，并通過增加共享效應來形成穩定的中間態配置，賦予SACs出色的光催化性能。因此，探索基于COF的SAC范式作為細菌類鐵死亡誘導劑極具前景。

二、【成果掠影】

鑒于此，南京師范大學化學與材料科學學院的周寧琳團隊制備了兩種單原子過渡金屬位點（如Ir和Ru），將它們錨定在sp²c連接的COF（sp²c-COF）骨架上，形成具有金-氮-碳橋連結構的體系。通過Schiff堿反應中的共價相互作用，可以涂覆甲氧基聚乙二醇胺（mPEG-NH₂-4000）聚合物，以產生親水性和高生物相容性的SACs（sp²c-COF-Ir-ppy₂和sp²c-COF-Ru-bpy₂）。實驗結果和密度泛函理論（DFT）計算表明，Ir和Ru SACs的優異光催化能力和POD活性歸因于COF的固有多孔性質以及原子分散金屬中心與sp²c-COF宿主之間的協同效應。

在照射下，Ir和Ru活性位點可以產生超閾值的ROS，消耗細胞內的GSH，干擾呼吸鏈和代謝過程，從而促進不可逆的LPO驅動的類鐵死亡通路。這兩種誘導劑顯示出低溶血和細胞毒性，對多種細菌、耐藥細菌具有強大的抗菌活性，并對甲氧西林耐藥金黃色葡萄球菌（MRSA）引起的創傷和膿腫感染具有強大的治療和預防潛力。總體而言，我們進行了一項概念驗證研究，發現COF基SAC作為抗菌的類鐵死亡啟動劑以消除感染。相關研究成果以“Designing Single-Atom Active Sites on sp²-Carbon LinkedCovalent Organic Frameworks to Induce Bacterial Ferroptosis-Like for Robust Anti-Infection Therapy”為題，發表在頂級期刊Advanced Materials上。

三、【核心創新點】

引入非鐵金屬單原子催化劑（Ir和Ru SACs）作為新型的細菌類似鐵死亡策略

四、【數據概覽】圖1?描述了在sp²c-COF孔中進行Ir和Ru SACs的協同合成的方案?2023 The Authors

圖2 sp²c-COF的表征結果。a) BTHAN和TA的最高占據軌道和最低未占據軌道。b) 非穿插式sp²c-COF的擴展結構。c) sp²c-COF重復單元的靜電勢表面顯示可能的活性位點。d) sp²c-COF的電荷密度差異，包括放大的頂部和側面視圖，品紅和黃色分別表示電子積累和耗竭。e) sp²c-COF片段在激發態的空穴和電子分布熱圖。f) 由于sp²c-COF的局部極化產生的偶極矩方向。g) sp²c-COF在激發態的電子-空穴分布，藍色和綠色分別表示電子積累和耗竭。h) sp²c-COF的Pawley精化結果：實驗XRD圖案顯示為黑色，Pawley精化圖案為紅色，二者差異為藍色，使用AA堆積模式的模擬圖案為綠色。i) sp²c-COF的AA堆積模型晶體結構。j) sp²c-COF在77K下的氮氣吸附-脫附等溫線。插圖：通過將NLDFT模型擬合到吸附數據來計算的孔徑分布。k) AA堆積的sp²c-COF的模擬孔徑大小。l,m) sp²c-COF的AFM圖像及其三維地形圖像。n,o) sp²c-COF的表面電位圖像及其三維電位線剖面圖 ?? 2023 The Authors

圖3 ?Ir和Ru SACs的形態。a) sp²c-COF-Ir-ppy₂和sp²c-COF-Ru-bpy₂的合成路線。b-d) b) sp²c-COF，c) sp²c-COF-Ir-ppy₂，d) sp²c-COF-Ru-bpy₂的FESEM圖像。e-g) e) sp²c-COF，f) sp²c-COF-Ir-ppy₂，g) sp²c-COF-Ru-bpy₂的TEM和HRTEM圖像。h-j) h) sp²c-COF，i) sp²c-COF-Ir-ppy₂，j) sp²c-COF-Ru-bpy₂中選擇區域的C、N、Ir和Ru元素的TEM-EDX映射圖像（暗場模式）。k-m) k) sp²c-COF，l) sp²c-C?? 2023 The Authors

圖4 ?Ir和Ru SACsOF-Ir-ppy₂，m) sp²c-COF-Ru-bpy₂的SAC-HAADF-STEM圖像。的結構。a,b) sp²c-COF-Ir-ppy₂和sp²c-COF-Ru-bpy₂的標準化Ir L3邊緣XANES譜圖。c,d) sp²c-COF-Ir-ppy₂和sp²c-COF-Ru-bpy₂的FTEXAFS譜圖。e,f) sp²c-COF-Ir-ppy₂和sp²c-COF-Ru-bpy₂的WT譜圖。g,h) sp²c-COF-Ir-ppy₂和sp²c-COF-Ru-bpy₂的EXAFS擬合曲線（k空間）? 2023 The Authors

圖5?光催化ROS產生。a-c) 在(a) sp²c-COF，(b) sp²c-COF-Ir-ppy₂和(c)?sp²c-COF-Ru-bpy₂上記錄的TMB氧化的UV-vis吸收光譜。d) sp²c -COF，sp²c -COF-Ir-ppy₂和sp²c -COF-Ru-bpy₂上DHE探針的熒光發射光譜。e) sp²c -COF，sp²c -COF-Ir-ppy₂和sp²c -COF-Ru-bpy₂上DPBF的降解。數據表示為平均值±標準差；n = 3。f) sp²c -COF，sp²c -COF-Ir-ppy₂和sp²c -COF-Ru-bpy₂的能帶結構。g-i) 不同處理條件下sp²c -COF，sp²c -COF-Ir-ppy₂和sp²c -COF-Ru-bpy₂的ESR光譜。j) 三種COFs的分子軌道圖?? 2023 The Authors

圖6 ?人體外類鐵死現象。a) 菌落形成單位（CFU）計數，b) 掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（刻度尺=1 μm），c) E. coli和S. aureus細胞在不同配方處理下的細胞內ROS水平：(I) PBS，(II) sp²c-COF，(III) sp²c -COF-Ir-ppy₂，(IV) sp²c -COF-Ru-bpy₂，(V) sp²c?-COF+激光，(VI) sp²c -COF-Ir-ppy₂+ H₂O₂+激光，(VII) sp²c -COF-Ru-bpy₂+激光。d,e) 在紅光照射下，E. coli和S. aureus細胞在PBS，sp²c-COF-Ir-ppy₂+ H₂O₂和sp²c-COF-Ru-bpy₂處理后的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。刻度尺=500 nm。f) C11-BODIPY染料染色的E. coli和S. aureus細胞在紅光照射下經PBS，sp²c-COF-Ir-ppy₂+ H₂O₂和sp²c-COF-Ru-bpy₂處理后的共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）圖像。刻度尺=5 μm。g) E. coli細胞中GPX4蛋白質的Western blot分析，具有不同條件。數據表示平均值±標準差；n = 3。h) E. coli細胞的細胞內GSH，i) TrxR，j) 和ATP水平，在I，V，VI，VII組。數據表示平均值±標準差；n = 3。k)細胞膜損傷中使用的LPO的示意圖。使用一方差分析（ANOVA）檢驗進行統計顯著性檢驗，使用Bonferroni的比較檢驗，給出P值，*表示P < 0.05，**表示P < 0.01?? 2023 The Authors

圖7 ?MRSA轉錄組的變化。a) 與Ctrl組相比，Ir SAC組和b) Ru SAC組中差異表達基因（DEGs）的火山圖。c,d) 在(a) Ir SAC和(b) Ru SAC與Ctrl組相比，上調和下調的基因本體富集分析。e,f) Ctrl、Ir SAC和Ru SAC的脂質轉運與代謝、細胞壁/膜/包膜生物合成、能量生產與轉換以及復制、重組和修復的表達變化。數據表示為log₂折疊變化；n = 3。g) 基于轉錄組分析的Ir和Ru SAC介導的細菌類鐵死樣機制的示意圖。使用一方差分析（ANOVA）檢驗進行統計顯著性檢驗，使用Bonferroni的比較檢驗，給出P值，*表示P < 0.05，**表示P < 0.01?? 2023 The Authors

圖 8 ?人體類鐵死現象。a) 基于COF的SACs誘導的細菌類鐵死樣評估的示意圖。b)接受不同處理的殘余傷口面積的定量分析。c) 第3天和第12天使用稀釋涂布法測量感染傷口周圍的細菌負荷。d) 包含DAPI、DCFH-DA和C11-BODIPY的傷口組織切片。比例尺=100 μm。e) 不同COF處理后傷口部位Ki67標記的陽性細胞的組織化學染色圖像。比例尺=100 μm。f) 第12天感染皮膚切片的H&E和Masson染色。比例尺=200 μm。i）它們在紅光照射或存在H₂O₂的條件下表現出高效的ROS產生能力，這是由于它們較窄的帶隙和類過氧化物酶的納米酶活性?? 2023 The Authors

圖 9 ?人體膿腫愈合評估。a) 描述MRSA感染膿腫模型中的治療方案的示意圖。b) 不同時間點感染膿腫的各組代表性圖像（比例尺=10 mm）。c) 在12天治療過程中殘余病變面積的統計圖。數據表示為平均值±標準差；n = 3。d) 第3天和第12天感染皮膚組織中MRSA的CFU。數據表示為平均值±標準差；n = 3。e) 第12天病變部位的Wright染色。f) 不同治療后第12天病變部位的TNF-??、CD80、CD163染色的免疫組織化學和免疫熒光圖像。比例尺=100 μm。g) B細胞（CD¹⁹⁺/CD²¹⁺/CD⁴⁵⁺）的流式細胞術。h) TNF-??陽性區域的平均熒光強度的定量化。i–j) CD80和CD163陽性區域的平均熒光強度的定量化。k) 來自(g)的B細胞百分比計算。數據表示為平均值±標準差；n = 3。統計學顯著性由一元方差分析檢驗和Bonferroni的比較檢驗確定，給出P值，*表示P < 0.05，**表示P < 0.01?? 2023 The Authors

圖10?通過細菌類似鐵死亡、炎癥相早期終止、促進血管生成和免疫激活途徑的治療機制示意圖?? 2023 The Authors

五、【成果啟示】

總結起來，我們提出了一種非鐵的細菌類似鐵死亡策略。與傳統的鐵基誘導劑相比，具有金屬-氮-碳橋接結構的高效Ir和Ru單原子催化劑具有以下幾個優點：

i）它們可以作為有利的GSH氧化物模擬納米酶，增強內源性GSH的耗竭，從而抑制GPX4酶的活性和降低TrxR水平，進而破壞抗氧化系統并進一步積累脂質過氧化物（LPO）。

ii）它們可以嚴重破壞細菌的代謝能力和正常呼吸，將有氧呼吸轉變為厭氧呼吸。

iii）它們引起嚴重的氧化應激，導致細菌基因系統和蛋白質脂酰化的損壞。在照射下，Ir和Ru SACs在革蘭陽性細菌、革蘭陰性細菌、臨床分離的MRSA上顯示出有效的抗菌活性，并且能夠破壞生物膜。這兩種類似鐵死亡的誘導劑在體外和體內都顯示出低毒性，表明在潛在的臨床應用中具有出色的生物安全性。

最后，應用Ir和Ru SACs不僅顯著加速了MRSA感染的創傷和膿腫的愈合過程，還誘導了特定病原體的免疫記憶反應，降低了再感染的風險。總體而言，我們的研究首次創新地介紹并驗證了基于COF的非鐵細菌類似鐵死亡策略，為未來的抗感染治療提供了有希望的方向。

原文詳情：

Local inversion-symmetry breaking in a bismuthate high-Tc superconductor https://doi.org/10.1038/s41467-023-36348-9

本文由Andy供稿。