本文要點：由多重耐藥細菌而引起的感染對人類健康仍然可以造成巨大威脅。因此我們需要探索更有效的抗菌替代策略。本研究開發(fā)了一種具有粗糙表面的碳-鐵氧化物納米復(fù)合物(RCF)，可用于近紅外二區(qū)光協(xié)同抗菌治療。RCF具有良好的光熱特性和過氧化物酶樣活性，可在NIR-II窗口下實現(xiàn)光熱/動力協(xié)同治療(PTT)。此外，表面粗糙的RCF可以增加細菌對其的粘附，更有利于協(xié)同抗菌作用。體外抗菌實驗表明，RCF對革蘭氏陰性大腸桿菌、革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌和耐甲ｙａｎｇ西林金黃色葡萄球菌均具可以產(chǎn)生殺傷作用。在耐甲ｙａｎｇ西林金黃色葡萄球菌感染大鼠的實驗?zāi)Ｐ椭?，RCF可以清除感染菌，同時具有良好的生物相容性。本研究合成的抗菌藥物RCF在治療耐藥細菌感染方面具有巨大潛力。

如圖1所示，RCF可以催化低濃度的H2O2生成羥基。在低功率密度(0.5 W/cm2)的NIR-II窗口下，碳納ｍｉ殼還可以產(chǎn)生光熱效應(yīng)，因此復(fù)合物RCF具有協(xié)同抗菌能力。

圖1：RCF納米復(fù)合物的制備及其協(xié)同抗菌治療的示意圖。

首先，作者合成了碳納ｍｉ殼，平均直徑為180 ± 20 nm（圖2 a）。然后將其與Fe3O4納米粒進行組裝，組裝后RCF表面變得粗糙，平均直徑為190 ± 20 nm （圖2 b-c）。接下來，作者驗證了RCF的催化活性和光熱性能。在測定其催化活性的實驗中，當H2O2(10 mM)和TMB (1 mM)均存在時，RCF在652 nm處出現(xiàn)zui qiang 的吸收峰，這說明RCF具有類似過氧化物酶的性能，能夠觸發(fā)TMB的氧化，且這種催化活性與RCF濃度呈正相關(guān)（圖2 g-h）。在測定其光熱性能的實驗中，作者用1064 nm波長激光照射RCF水溶液并記錄下來其溫度變化，發(fā)現(xiàn)不同濃度的RCF溶液的溫度隨著激光的照射均呈上升趨勢，且也與濃度呈正相關(guān)（圖2 i）。因此，RCF具有催化生成羥基和產(chǎn)生光熱效應(yīng)的特性，在抗感染治療中具有很大的潛力。

圖2： (a) RC， (b) RCF， (d) SC和(e) SCF納米顆粒的TEM圖像。 (c) RCF和(f) SCF納米顆粒的SEM圖片。 比例尺:200nm。 (g)不同處理TMB溶液(1 mM)的紫外-可見吸收光譜。 (h) 不同RCF濃度處理的TMB溶液的紫外-可見吸收光譜。 (i)不同濃度RCF溶液經(jīng)近紅外激光后的光熱曲線(1064 nm, 0.5 W/cm2，5 min)。

接下來，作者驗證了RCF的體外抗菌效果。作者選取了大腸桿菌和金黃色葡萄球菌作為參照菌，通過平板計數(shù)法，作者發(fā)現(xiàn)，當不添加H2O2同時也不加近紅外二區(qū)光照時，RCF不能產(chǎn)生殺菌作用。當 添加H2O2后，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的數(shù)量均有明顯下降，下降趨勢與RCF濃度的升高呈正比。當加上近紅外二區(qū)激光后，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的數(shù)量也會明顯下降，但無論是單獨添加H2O2還是單獨加近紅外二區(qū)激光，其抗菌效果均不理想。但兩個條件同時存在時，RCF均有良好的抗菌效力（圖3a-d）。通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境中同時存在RCF、H2O2和近紅外二區(qū)激光存在時，RCF可以破壞大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的細菌結(jié)構(gòu)，對其造成殺傷（圖3e）。作者還發(fā)現(xiàn)RCF也可以對耐甲ｙａｎｇ西林金黃色葡萄球菌產(chǎn)生殺傷作用，zui di 抑菌濃度為256 μg/mL （圖3f-g）。這些結(jié)果驗證了RCF的高效協(xié)同抗菌作用。

圖3：經(jīng)近紅外激光照射和H2O2處理的(a)大腸桿菌(b)金黃色葡萄球菌和(f)耐甲ｙａｎｇ西林金黃色葡萄球菌的菌落。用平板計數(shù)法測定各組經(jīng)RCF處理后大腸桿菌(c)、金黃色葡萄球菌(d)、耐甲ｙａｎｇ西林金黃色葡萄球菌 (g)的細菌存活率。(e)不同處理后大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的SEM圖像:(I) PBS， (II) H2O2， (III) NIR， (IV) H2O2+ NIR， (V) RCF， (VI) RCF + H2O2， (VII) RCF + NIR， (VIII) RCF + H2O2+ NIR。比例尺:1 μm。

此外，作者還通過熒光染料STYO-9和PI分別染色活細菌和死細菌來驗證RCF的殺菌效力。得到的結(jié)果與平板計數(shù)法的結(jié)果一致，表明RCF在協(xié)同抗菌治療中具有巨大潛力（圖4a-b）。

圖4： (a)大腸桿菌和(b)金黃色葡萄球菌經(jīng)PBS、(II) H2O2、(III) NIR、(IV) H2O2+ NIR、(V) RCF (512 μg/mL)、(VI) RCF + H2O2、(VII) RCF + NIR、(VIII) RCF + H2O2+ NIR處理后的熒光圖像。 紅色和綠色熒光分別代表死菌和活菌。比例尺: 25μm。

接下來，作者通過細胞毒性實驗和溶血性實驗探究了RCF的生物相容性。通過MTT法測定RCF在達到512 μg/mL時，L929細胞存活率仍大于80%（圖5 a）。用PBS將RCF溶液稀釋到不同濃度，分別與紅細胞共孵育，各組均未發(fā)生溶血現(xiàn)象，表明其具有良好的生物相容性（圖5 b）。在大鼠皮膚創(chuàng)面區(qū)域，照射1064 nm的激光（0.5 W/cm2）,在照射5 min后，創(chuàng)面區(qū)域溫度從26.1℃迅速上升到60.4℃，證明RCF具有在體內(nèi)PTT效應(yīng)的可行性（圖5 c-d）。

圖5：(a)經(jīng)不同濃度RCF溶液處理后L929細胞的細胞活力。 (b)不同濃度RCF溶液的相對溶血比。 (c) 256 μg RCF處理大鼠皮膚創(chuàng)傷后，在1064 nm, 0.5 W/cm2近紅外激光照射5 min的熱圖像和溫度變化曲線。

于是，作者為了驗證RCF的體內(nèi)清除感染菌的能力，選用了大鼠皮膚感染耐甲ｙａｎｇ西林金黃色葡萄球菌的動物模型。將同品系大鼠隨機分為五組，Ⅰ.PBS組；Ⅱ.RCF組；Ⅲ.RCF + H2O2組；Ⅳ.RCF +NIR-II激光；Ⅴ.RCF + H2O2 + NIR-II激光。分別在處理后第1，3，5，7天對傷口進行圖像采集（圖6 a）。第7天時，對各組感染區(qū)域的組織載菌量和感染面積進行測定，并送去做組織切片，Ⅴ組結(jié)果與其他組相比有顯著差異（圖6 c-e）。綜上，RCF具有良好的殺菌性能，有望用于抗菌感染和促進創(chuàng)面愈合。

圖6：(a)在第0、1、3、5、7天采集不同處理組的感染傷口圖像(I) PBS， (II) RCF， (III) RCF + H2O2， (IV) RCF + NIR， (V) RCF + H2O2+ NIR。(c)不同處理組的感染組織載菌量測定分析。 (d) 7 d后各治療組的感染傷口面積。 (e) 7天后不同治療組感染傷口組織的H&E染色圖像。

結(jié)論：本研究成功構(gòu)建了一種表面粗糙的碳鐵氧化物納米復(fù)合物來用于協(xié)同抗菌。碳納ｍｉ殼具有光熱特性，同時氧化鐵納米粒具有類過氧化物酶催化活性，可以在NIR-II激光(1064 nm, 0.5 W/cm2)照射下，實現(xiàn)PTT/CDT的協(xié)同作用。此外，其具有良好的生物相容性和較低的毒性，為構(gòu)建具有實際意義的高效抗菌新方法提供了一種簡便的策略。

參考文獻

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