基于近红外激光触发的多功能NO纳米生成平台：一种用于细菌感染治疗的新型综合治疗策略

作者与发表信息

这项研究由湖南师范大学淡水鱼类发育生物学国家重点实验室和生命科学学院的研究团队完成，主要作者包括Jing Yang、Wangdan Qi、Li Wang、Lidan He等。文章发表于《Acta Biomaterialia》期刊（Elsevier出版社），2024年1月上线发表，文章标题为“Near-infrared-guided NO generator for combined NO/Photothermal/Chemodynamic therapy of bacterial infections”。

研究背景

抗生素是细菌感染治疗的重要手段，但随着耐药性细菌的增加，抗生素疗法的有效性逐渐下降，开发非抗生素的抗菌方法显得尤为迫切。本研究聚焦于一类基于一氧化氮（NO）的气体疗法。NO作为一种内源性气体分子，具有细胞信号调控、杀菌和抗炎作用，其治疗潜力在癌症、细菌感染及伤口愈合中备受关注。然而，传统NO疗法因释放控制困难、靶向效果不佳等问题，治疗效率较低。此外，光热疗法（PTT）和化学动力疗法（CDT）因其能够分别通过局部加热和产生羟自由基（·OH）破坏细菌细胞结构，也被认为是很有前景的抗菌策略。基于以上背景，作者开发了一种基于近红外（NIR）光触发的多功能纳米复合物SCM@HA，旨在整合NO、PTT和CDT多重杀菌机制，为细菌感染提供一种高效、经济且非抗生素的治疗方法。

研究方法与流程

1. 纳米复合物的设计与制备

SCM@HA纳米复合物以介孔二氧化硅（MSN）为载体，通过原位沉积硫化铜（CuS）并装载亚硝基铁氰化钠（SNP）后，以透明质酸（HA）修饰表面。MSN的特性包括可控粒径、易制备性及优良稳定性；CuS具备出色的光热转换能力；SNP则是NO的供体，其在NIR光照下可释放NO。通过电镜观察，SCM@HA的平均粒径为56±3 nm，表面改性后呈现良好的生物相容性和可控负电荷。

2. 光热性能与化学动力学性能的评估

SCM@HA在808 nm NIR光照射下表现出显著的光热效应，溶液温度可在10分钟内升至47°C，其光热转换效率达到35.66%，显著高于一些已报道的光热剂。此外，SCM@HA的化学动力学性能也表现突出，在酸性条件下催化过氧化氢（H₂O₂）产生羟自由基（·OH），并随着温度的升高，其催化活性进一步增强。

3. NO释放性能的研究

在NIR光照射下，SCM@HA能够实现SNP的光响应性NO释放。实验结果表明，NO释放量与光照时间和光强度呈正相关，表明SCM@HA可以实现精确的剂量控制。

4. 体外抗菌实验

利用金黄色葡萄球菌（S. aureus）和鼠伤寒沙门氏菌（S. typhimurium）分别作为革兰氏阳性和阴性细菌模型，研究了SCM@HA的体外抗菌性能。结果显示，在NIR光照下，SCM@HA对S. aureus和S. typhimurium的杀菌效率分别达到94.6%和99.1%。通过共聚焦显微镜观察及扫描电镜分析，进一步证实SCM@HA通过破坏细菌细胞膜和细胞形态达到杀菌效果。

5. 生物安全性与体内抗菌实验

通过CCK-8细胞活力检测和溶血实验，SCM@HA在100 μg/ml浓度下对HEK 293细胞无明显毒性，溶血率为4.2%，表现出良好的生物安全性。在小鼠体内感染模型中，SCM@HA在NIR光照下能够显著减少伤口细菌数量，加速伤口愈合，且对小鼠主要器官无明显毒副作用。

研究结果与意义

1. 主要发现：SCM@HA结合了光热疗法（PTT）、化学动力疗法（CDT）和NO气体疗法，展现出显著的抗菌效果。其对革兰氏阴性菌的杀菌效率高于对革兰氏阳性菌的效果。
2. 创新性：整合多种抗菌机制（PTT/CDT/NO），实现高效协同抗菌，克服了单一疗法效果有限的局限性。
3. 应用前景：SCM@HA是一种具备高抗菌效率、低毒性和易制备特点的多功能抗菌材料，在伤口感染和难治性细菌感染治疗中具有广阔的应用潜力。

总结

该研究提出了一种经济实用的综合抗菌策略，为抗生素替代治疗提供了新思路，并奠定了多模式联合纳米抗菌疗法的理论基础。