一种具有DNase模拟活性和自供应H?O?能力的多功能纳米平台，用于强化化学动力学方法下的生物膜清除效果

《Journal of Materials Science & Technology》：Engineered multifunctional nanoplatform with DNase-mimetic activity and self-supplying H 2O 2 capability for enhanced chemodynamic biofilm eradication

针对生物膜感染高死亡率及耐药性强的问题，开发了一种级联激活纳米平台（SCC NPs），集成Ce4+/NTA酶模拟物降解外源多糖核酸（eDNA）和CuO2纳米颗粒自持产H2O2生成羟基自由基双机制。体外清除金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌生物膜效率超99.9%，体内实验显示显著减少感染灶定植并促进组织修复，无毒性。通过协同突破生物膜屏障和自主产H2O2增强化学动力疗法效果。

　　生物膜感染是全球范围内重要的健康威胁之一，其特点包括高死亡率以及对传统治疗方法的显著抵抗性。这类感染通常由微生物在自身分泌的胞外聚合物物质（EPS）中聚集形成，EPS作为保护屏障，能够提供物理和代谢上的防御，从而使得细菌免受抗生素或生物杀菌剂的影响。因此，生物膜相关感染的治疗变得极为困难，常常需要高剂量和频繁的抗生素使用，而这又可能导致多重耐药（MDR）细菌的迅速出现和传播。随着新型抗生素的研发日益困难，生物膜感染，特别是由MDR病原体引起的感染，已成为一个严重的全球性健康危机，预计到2050年，MDR感染将导致每年超过1000万例死亡，其危害甚至超过癌症。

面对这一挑战，科学界正在积极探索新的治疗策略，以克服生物膜的抗性并减少对传统抗生素的依赖。其中，化学动力学疗法（Chemodynamic Therapy, CDT）作为一种新兴的治疗手段，受到了广泛关注。CDT的核心原理是利用芬顿反应或类似的芬顿反应机制，将过氧化氢（H?O?）转化为具有杀菌作用的羟基自由基（•OH）。这种方法的优势在于其不依赖外部刺激，成本效益高，并且具有较低的耐药性发展风险，因此在治疗游离细菌感染方面展现出了巨大的潜力。

然而，CDT在应对生物膜感染时仍然面临诸多挑战。生物膜的微环境具有独特的结构和成分，例如低浓度的H?O?和丰富的还原性物质如谷胱甘肽（GSH），这些因素都会显著削弱CDT的效果。H?O?是芬顿反应的关键底物，其浓度在生物膜感染部位虽然比健康组织略高（50–100 μM），但仍不足以有效启动反应。此外，GSH能够有效地中和•OH，进一步限制了CDT的治疗效果。因此，为了提升CDT的疗效，需要开发能够自主提供H?O?并有效消耗GSH的策略。

在此背景下，研究人员设计了一种级联激活的纳米平台，该平台结合了脱氧核糖核酸酶（DNase）模拟成分与自我维持的H?O?生成能力。该纳米平台由负载在氨基功能化二氧化硅壳层中的Ce??/氨基三乙酸（NTA）复合物包裹的CuO?纳米点组成。这种结构设计使得纳米平台能够在生物膜的酸性微环境中启动双重作用机制：首先，Ce??/NTA复合物能够特异性地降解EPS中的胞外DNA（eDNA），从而破坏生物膜的结构并增强纳米颗粒的渗透能力；其次，CuO?的分解会释放大量的H?O?和Cu2?离子，后者能够催化芬顿反应，将H?O?转化为具有细胞毒性的•OH自由基，进而引发细菌细胞膜的脂质过氧化，最终导致细菌死亡。

这一策略在体外实验中表现出了卓越的抗生物膜效果，能够消除超过99.9%的金黄色葡萄球菌（S. aureus）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）生物膜。在体内测试中，研究人员利用S. aureus感染的小鼠伤口模型评估了该纳米平台的治疗潜力。结果显示，该平台不仅显著减少了细菌的定植，还促进了组织修复的进程，且未观察到明显的毒理学效应。这表明，该纳米平台在实际应用中具有良好的安全性和有效性。

生物膜的结构和成分是其抗性的重要来源。EPS主要由多糖、蛋白质和胞外DNA（eDNA）组成，其中eDNA作为EPS中最长的分子成分，具有关键的结构功能。它能够促进细菌附着、细胞聚集，并与其他EPS成分相互连接，形成成熟的生物膜网络。因此，针对eDNA的特异性降解被认为是增强CDT效果的有效策略之一。然而，天然DNase在实际应用中存在诸多限制，如易被蛋白酶降解、环境稳定性差以及操作耐久性不足等。为了解决这些问题，科学家们致力于开发具有更高催化效率和稳定性的合成酶模拟物。

受到天然核酸酶的启发，研究人员设计了一种基于Lewis酸性金属离子（如Ce??）的生物催化剂，能够通过水解磷酸二酯键来降解DNA。这类人工酶模拟物在催化效率和生物膜渗透能力方面均优于天然DNase I。特别是Ce??/NTA复合物，因其高效的催化性能和良好的生物相容性而备受关注。研究表明，Ce??/NTA复合物能够有效降解生物膜基质，提高抗生素对嵌入细菌的渗透能力，并最终实现生物膜的彻底清除。因此，将Ce??/NTA复合物整合到CDT平台中，为实现生物膜的全面清除提供了一种创新性的策略。

为了进一步提高CDT的疗效，研究人员开发了一种复合纳米平台，该平台通过结合eDNA降解与自我维持的H?O?生成能力，实现了对生物膜的双重打击。具体而言，CuO?纳米颗粒被封装在介孔二氧化硅纳米壳层中，形成SiO?@CuO?纳米颗粒。随后，通过使用戊二醛进行交联，将Ce??/NTA复合物连接到二氧化硅壳层上，最终得到SiO?@CuO?-Ce??/NTA纳米颗粒（简称SCC NPs）。这种纳米平台的设计使得其能够在生物膜环境中实现高效的eDNA降解和H?O?的持续释放。

当SCC NPs接触到生物膜时，表面结合的Ce??/NTA复合物能够特异性地降解eDNA，破坏EPS屏障，从而增强纳米颗粒的渗透能力。与此同时，CuO?纳米颗粒在酸性微环境中发生分解，释放出大量H?O?和Cu2?离子。H?O?的持续释放不仅能够维持芬顿反应的进行，促进•OH的生成，还能通过消耗GSH，进一步削弱细菌的抗氧化能力。Cu2?离子则能够催化GSH的降解，从而为芬顿反应提供更多的底物，提升•OH的生成效率。这种协同作用使得SCC NPs在体外和体内均表现出优异的抗生物膜性能。

SCC NPs的制备过程包括多个步骤，首先合成CuO?纳米颗粒，然后将其封装在二氧化硅壳层中，最后通过戊二醛交联将Ce??/NTA复合物结合到壳层表面。这种精细的制备工艺确保了纳米颗粒的形态和尺寸能够满足实际应用的需求。通过透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）技术，研究人员对SCC NPs的形态和粒径进行了表征。结果显示，CuO?纳米颗粒呈现出不规则的纳米点聚集结构，平均直径约为39 ± 3纳米，与以往的研究结果一致。而SiO?@CuO?纳米颗粒则表现出粗球形的形态，平均粒径约为100纳米，进一步表明其结构设计的合理性。

为了全面评估SCC NPs的性能，研究人员对其进行了系统的表征和测试。首先，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）等技术，分析了纳米颗粒的表面形貌和化学组成。结果表明，Ce??/NTA复合物成功地结合到了二氧化硅壳层上，形成了稳定的纳米结构。随后，通过紫外-可见光谱（UV-Vis）和荧光光谱（FL）等方法，评估了纳米颗粒的催化活性和反应效率。这些测试结果进一步验证了SCC NPs在酸性环境中的催化能力，以及其在生物膜中的应用潜力。

在体外实验中，研究人员测试了SCC NPs对S. aureus和P. aeruginosa生物膜的清除效果。结果显示，SCC NPs能够在短时间内显著减少生物膜中的细菌数量，并有效破坏生物膜的结构。这一效果不仅体现在对细菌的直接杀伤上，还体现在对生物膜基质的降解能力上。此外，通过活菌计数和生物膜形成抑制实验，研究人员进一步确认了SCC NPs的抗生物膜性能。这些实验结果表明，SCC NPs在体外环境下能够有效地消除生物膜，并减少细菌的再生能力。

在体内测试中，研究人员利用S. aureus感染的小鼠伤口模型评估了SCC NPs的治疗效果。实验结果显示，SCC NPs不仅显著降低了伤口部位的细菌定植，还促进了组织修复的进程。与传统的抗生素治疗相比，SCC NPs在体内表现出更优异的生物相容性和治疗效果。此外，研究人员通过组织病理学分析和血液生化检测，评估了SCC NPs在体内的安全性。结果表明，SCC NPs在体内应用过程中未引起明显的毒理学效应，表明其具有良好的生物安全性。

综上所述，SCC NPs作为一种级联激活的纳米平台，通过结合eDNA降解和自我维持的H?O?生成能力，成功克服了传统CDT在治疗生物膜感染时的局限性。其在体外和体内均表现出卓越的抗生物膜性能，为解决生物膜感染这一全球性健康问题提供了一种新的思路。未来，该纳米平台有望在临床应用中发挥重要作用，特别是在对抗MDR细菌和慢性感染方面。此外，该研究也为其他类型的纳米治疗平台的设计和开发提供了宝贵的参考，推动了生物膜感染治疗领域的技术进步。