西南民族大学Theranostics：多金属氧酸盐(Polyoxometallates)的生物膜微环境调控与光热增强高效抗菌

目前，由于滥用抗生素而产生的生物膜对全球公共卫生造成严重威胁。这类薄膜是导致抗菌治疗失败的主要因素。因此，开发新型抗菌剂或策略迫在眉睫。

多金属氧酸盐(Polyoxometallates, POMs)是一类典型的无机纳米团簇，主要由过渡金属或稀土元素与氧配体通过桥氧键链接而成。由于其具有独特的电学结构和优越的理化性能，可作为类过氧化物酶催化相应底物产生活性氧(ROS)，而且在细菌生物膜微酸和还原性条件下，POMs可自组装产生大的聚集体，同时增强近红外光吸收，提高其光热转换效应，从而在抗菌领域展现出广阔的应用前景。但是，单一的类过氧化酶反应活性或光热治疗效应有限，生成的ROS往往难以高效作用于细菌，从而影响其抗菌活性。因此，将类酶催化活性和光热增强催化效应的有机结合是实现多金属氧酸盐高效抗菌的关键。

【成果简介】

近日，西南民族大学化学与环境学院雍媛课题组报道了一种具有优异生物膜微环境调控的新型钨基多金属氧酸盐纳米团簇(GdW₁₀O₃₆ NCs)。在外界808 nm近红外激光的照射下，GdW₁₀O₃₆ NCs被还原所形成的还原型多金属氧酸盐纳米团簇(reduced GdW₁₀O₃₆ NCs)表现出强的近红外线吸收和高的光热转化效应，且表现出材料尺寸，浓度和激光功率密度多重依赖性。并且，在联合外界808 nm近红外激光和体内极低浓度的过氧化氢(H₂O₂, 100 μM)的情况下，低浓度的reduced GdW₁₀O₃₆ NCs (100μg/Ml)对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）的抑菌效率均可达85 %以上。通过抗菌机理的研究发现，reduced GdW₁₀O₃₆ NCs不仅能够通过其类过氧化物酶的催化性质，促进细菌内源性低浓度H₂O₂产生大量活性氧物质(ROS)，有效的促进ROS对细菌的杀伤，而且生物膜微环境的酸性和还原性还可以导致reduced GdW₁₀O₃₆ NCs自组装产生大的聚集体，促使其累积在生物膜表面，同时增强近红外光热转换效应，极大的增强了抗菌效果。动物实验进一步表明，reduced GdW₁₀O₃₆ NCs可以有效清除感染伤口中的大肠杆菌(E. coli)，并快速促进伤口的愈合。该研究成果以题为“Bacteria responsive polyoxometalates nanocluster strategy to regulate biofilm microenvironments for enhanced synergetic antibiofilm activity and wound healing”发表在国际著名期刊Theranostics上。硕士生张月通和皮洋为共同第一作者，通讯作者为雍媛副研究员。

图一、GdW₁₀O₃₆ NCs的制备和抗菌作用示意图

(a) 通过重结晶方法合成GdW₁₀O₃₆ NCs及reduced GdW₁₀O₃₆ NCs；

(b) reduced GdW₁₀O₃₆ NCs在调控生物膜微环境并催化产生ROS杀死细菌。

图二、GdW₁₀O₃₆ NCs的制备、结构与性质表征

GdW₁₀O₃₆ NCs及reduced GdW₁₀O₃₆ NCs的(A)制备过程，(B-D) TEM图像，(E) TEM图像相应的粒径分布，(F-G) reduced GdW₁₀O₃₆ NCs的UV-vis-NIR吸收光谱，(H) reduced GdW₁₀O₃₆ NCs的XPS全谱图，(I-J) GdW₁₀O₃₆ NCs还原前后W元素的XPS谱图。

图三、reduced GdW₁₀O₃₆ NCs的光热抗菌效应

reduced GdW₁₀O₃₆ NCs光热效应的激光功率密度(A)、浓度(B)及pH(C)依赖性，不同pH条件下reduced GdW₁₀O₃₆ NCs产生的光热效应红外图(D)。

图四、reduced GdW₁₀O₃₆ NCs的类过氧化物酶活性及催化机制

采用基底TMB (A)、OPD (B)和活性氧物质探针TA(C)探索reduced GdW₁₀O₃₆ NCs的类过氧化物酶活性，(D-E) reduced GdW₁₀O₃₆ NCs的催化机制。

图五、reduced GdW₁₀O₃₆ NCs的抗菌活性

reduced GdW₁₀O₃₆ NCs处理后大肠杆菌(A-B)和金黄色葡萄球菌(C-D)的失活效率。

图六、reduced GdW₁₀O₃₆ NCs的抗生物膜活性

reduced GdW₁₀O₃₆ NCs处理后大肠杆菌生物膜(A-B)和金黄色葡萄球菌生物膜(C-D)的抑制效率。reduced GdW₁₀O₃₆ NCs处理后大肠杆菌生物膜和金黄色葡萄球菌生物膜的荧光图(E)。

图七、reduced GdW₁₀O₃₆ NCs的治疗小鼠伤口感染

(A)不同处理条件下小鼠伤口的愈合程度；(B)治疗过程中小鼠体重的变化；(C)治疗结束后不同条件下小鼠伤口的照片；(D)治疗结束后小鼠的伤口组织切片的H＆E、Masson和Giemsa染色图。

【总结】

综上所述，作者报道了一种具有类过氧化物拟酶催化活性和光热增强催化抗菌能力的新型抗菌剂(GdW₁₀O₃₆ NCs)。其还原型(reduced GdW₁₀O₃₆ NCs)具有高效的广谱抗菌活性和优异的细菌生物膜调控性能。抗菌机理的研究表明，reduced GdW₁₀O₃₆ NCs具有过氧化物的类酶活性，能够催化体内极低浓度H₂O₂产生ROS；并且在生物膜微环境的酸性和还原性条件下， reduced GdW₁₀O₃₆ NCs能够自组装产生大的聚集体，促使其累积在生物膜表面，同时增强近红外光热转换效应，从而极大地提高其抗菌效率和抗生物膜活性。同时，体外和活体的实验也同样表明，reduced GdW₁₀O₃₆ NCs具有优异的抗菌活性和良好的生物相容性。总之，该工作展示了一种基于GdW₁₀O₃₆ NCs的新型抗菌剂，为提高细菌感染引起的疾病治愈率提供新的思路。

文献链接：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）

通讯作者简介

雍媛，女，西南民族大学，化学与环境学院副研究员，硕士生导师。四川省“千人计划”青年人才获得者，研究方向：无机抗肿瘤纳米药物的制备及其在生物医学应用研究。

本文由作者团队供稿。