Nano Lett.┃病原体受体膜与晶面依赖的纳米材料与细菌作用

英文原题：Pathogen Receptor Membrane-Coating Facet Structures Boost Nanomaterial Immune Escape and Antibacterial Performance

通讯作者：胡献刚教授，南开大学

作者：Xuan Hou (侯萱), Hui Zeng (曾辉), Xue Chi (迟雪), Xiangang Hu (胡献刚)

迄今为止，细菌感染被认为是数十种疾病（包括心内膜炎、中耳炎和骨髓炎等）的主要原因，每年约有70万人死于细菌感染相关疾病。然而，过度使用抗生素引起的超级耐药性细菌威胁着人类的健康，其破坏性比细菌感染本身更强，如造成血栓性静脉炎和肾损害。因此，寻找新的抗菌剂刻不容缓。近年来，人工纳米材料作为细菌感染治疗的抗生素替代品取得了巨大的进展，有希望成为对抗耐药细菌的良好材料。由于免疫清除和严重的免疫反应，纳米材料在体内的治疗效率仍然很低，实际应用受到限制。同时，非靶向纳米材料依靠过量和增强渗透性来达到预期的治疗效果，从而导致全身毒性增加。从界面化学及表面修饰角度去深入认识纳米材料与细菌相互作用有助于推动相关研究及应用的发展。

图1. CuFeSe₂纳米晶体的制备及性能表征

近日，南开大学胡献刚教授在Nano Letters 上发表了病原体受体膜与晶面依赖的纳米材料与细菌作用的研究。研究者通过合成不同晶面暴露的(100)-CuFeSe₂和(112)-CuFeSe₂纳米晶体，调控其电子传递、光热转换和纳米酶活性。相比于(112)-CuFeSe₂，(100)-CuFeSe₂显示出增强的自由基生成和抗菌性能。病原体预处理的树突状细胞细胞膜被涂覆后的CuFeSe₂(SM@CuFeSe₂) 对模式病原菌黄色葡萄球菌（S. aureus）粘附性更强。SM@CuFeSe₂具有高生物相容性、低免疫清除率和优异的抗菌性能。作为一个原理证明，这些发现为临床应用和细菌感染治疗中使用病原体受体膜包裹的晶面依赖纳米材料提供了思路。

图2. 晶面依赖的CuFeSe₂过氧化物酶活性和基于密度泛函理论的量子力学分析

CuFeSe₂具有晶面依赖的过氧化物酶活性。(100)-CuFeSe₂存在下，H₂O₂分解产生•OH的能垒更低，有利于分解反应发生。CuFeSe₂通过分解H₂O₂生成•OH调节细胞内氧化应激水平，光热效应增强细胞膜通透性，导致细菌死亡。近红外光照射15分钟内，CuFeSe₂可以灭活100%的S. aureus。

细菌预处理的细胞膜上会表达更多的病原体识别蛋白，从而具有更强的病原体结合能力。结果表明，SM@CuFeSe₂具有高表达的TLR2受体，用于增强识别S. aureus。病原体受体膜涂覆后的CuFeSe₂仍保持光热性能和抗菌性能，同时提高了生物相容性。在细菌感染小鼠模型中，SM@CuFeSe₂清除感染伤口中95%的病原菌，并加速伤口愈合和皮肤再生。在小鼠骨髓炎模型中，SM@CuFeSe₂经由尾静脉注入小鼠的血液循环。相比CuFeSe₂，SM@CuFeSe₂在血液中循环时间延长，对小鼠的主要器官未显示毒性，并在胫骨增强富集，灭活胫骨中99%的病原菌。综上，本研究提出了一种病原体受体膜涂覆技术的概念及其机制，可用于晶面依赖纳米材料细菌感染的治疗和其他临床应用，也可以为其他的晶面依赖纳米材料和疾病治疗提供策略。

图3. SM@CuFeSe₂与体内细菌的相互作用

相关论文发表在Nano Letters上，南开大学博士研究生侯萱为文章的第一作者，胡献刚教授为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Pathogen Receptor Membrane-Coating Facet Structures Boost Nanomaterial Immune Escape and Antibacterial Performance

Xuan Hou, Hui Zeng, Xue Chi, and Xiangang Hu*

Nano Lett., 2021, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03427

Publication Date: November 23, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society

通讯作者信息

胡献刚教授，博士毕业于南开大学环境科学与工程学院，现任南开大学环境科学与工程学院教授，博士生导师，环境污染过程与基准教育部重点实验室副主任。主要从环境健康与人工智能交叉研究。以第一或通讯作者在 PNAS、Science Advances、Nature Communications、ACS Nano、Nano Letters、Nano Energy、Environmental Science & Technology 等期刊上发表论文 90 余篇。担任 Journal of Hazardous Materials、Ecotoxicology and Environmental Safety 期刊编委、Chinese Chemical Letters 青年编委、《农业环境科学学报》编委、《安全与环境学报》青年委员、副主任委员。主持国家优青、国家重点研发计划项目课题、天津市杰青等科研项目，入选教育部青年人才项目，获得天津市自然科学奖特等奖等，担任中国生态学学会污染生态专业委员会秘书长、中国环境科学学会环境化学分委会委员等学术团体职务。

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https://env.nankai.edu.cn/2019/0612/c14180a177261/page.htm 

（本稿件来自ACS Publications）