超声激活的Cu4SnS4纳米平台：用于双重途径放大活性氧物种并增强抗菌治疗效果

《Acta Biomaterialia》：Ultrasound-activated Cu 4SnS 4 nanoplatform for dual-pathway amplification of reactive oxygen species and enhanced antibacterial therapy

　　摘要
细菌感染的有效根除仍然受到药物渗透性差、持续的生物膜形成以及复杂感染微环境中活性氧（ROS）生成不足的显著限制。本文中，我们设计了一种多金属硫化物半导体Cu4SnS4（CTS），将其作为超声（US）激活的纳米平台，结合化学动力学疗法（CDT）和声动力学疗法（SDT），实现ROS的时空可控放大，从而增强抗菌效果。在酸性和富含H2O2的感染微环境中，CTS通过动态的Cu+/Cu2+氧化还原循环催化类Fenton反应，持续产生羟基自由基（·OH）。在超声照射下，声波产生的载流子分离加速了电子转移和铜价态循环，进一步提高了·OH的生成效率。同时，CTS的窄带隙电子结构促进了能量向分子氧的有效传递，产生了大量的单线态氧（1O2）。结合超声诱导的空化效应，该平台建立了双途径的ROS放大机制，显著增强了细菌膜的破坏和生物膜的清除。因此，CTS在超声激活下表现出强大的广谱抗菌活性和优异的抗生物膜效果，能够在具有挑战性的感染环境中有效清除细菌。总体而言，这项工作提出了一种基于半导体的、对超声响应的抗菌策略，用于可编程的ROS放大，并突显了多金属硫化物纳米剂在治疗深层和耐药细菌感染中的治疗潜力。

意义声明
由于抗菌剂渗透有限和治疗抗性，抗生素耐药性感染和与生物膜相关的疾病仍然难以治疗。在这里，我们报道了一种Cu4SnS4（CTS）半导体纳米酶，它通过整合化学动力学和声动力学机制，克服了传统声动力学抗菌系统中活性氧生成不足的问题。超声激活通过协调的催化和半导体特性，增强了ROS的放大，从而有效根除了细菌，破坏了生物膜，并促进了组织修复。这项工作为超声响应的抗菌生物材料提供了新的设计策略，并扩展了半导体纳米材料的应用范围，超越了传统的药物输送方式。这些发现可能为 Biomaterials、纳米医学和再生医学领域的研究人员提供有用的见解，他们正在寻找多功能平台来治疗感染。

引言
细菌感染仍然是全球公共卫生面临的重大挑战，因为它们的高发病率、复发率以及日益增加的抗菌剂抗性[1,2]。抗生素的广泛和过度使用加速了多重耐药细菌（通常称为“超级细菌”的出现，这些细菌对传统抗菌剂的敏感性显著降低[3]。因此，许多细菌感染难以完全根除，常常导致慢性炎症、反复感染、组织修复延迟和严重的系统并发症[4,5]。除了细菌抗性外，生物膜的形成进一步增加了感染性疾病的治疗难度。生物膜是由细菌在自分泌的细胞外聚合物（EPS）基质中形成的高度组织化的三维菌群，这种基质作为对抗抗生素和宿主免疫反应的保护屏障。据报道，与生物膜相关的感染占微生物感染的约65%，以及慢性感染疾病的约80%[6,7]。在生物膜内，细菌对抗生素和氧化应激的抵抗力显著增强，大大降低了传统抗菌疗法的效果[8],[9],[10]。因此，开发能够有效根除生物膜和耐药细菌的非抗生素抗菌策略已成为紧迫的临床需求。
活性氧（ROS）介导的抗菌疗法因其广谱抗菌活性和较低的概率引起细菌抗性而成为一种有前景的策略[11],[12],[13]。ROS包括羟基自由基（·OH）、单线态氧（1O2）和超氧自由基（·O2-），可诱导细菌膜、蛋白质、核酸和细胞内生物大分子的不可逆氧化损伤，最终导致细菌死亡。近年来，包括光动力疗法（PDT）、化学动力学疗法（CDT）和声动力学疗法（SDT）在内的几种ROS触发的抗菌方法得到了广泛研究[14],[15],[16]。在这些方法中，CDT因其可以通过过渡金属离子催化的Fenton或类Fenton反应生成高毒性的·OH而受到广泛关注[17]。CDT利用内源性过氧化氢（H2O2）和微酸性病理环境，在无需外部氧气补充的情况下实现局部ROS生成。基于铜的催化系统特别具有吸引力，因为Cu+/Cu2+氧化还原对具有高催化活性[18]。然而，尽管有其优势，CDT的抗菌效果仍受到复杂感染微环境的强烈限制。内源性H2O2浓度不足、酸度不够以及丰富的还原性生物分子会显著抑制ROS的积累并降低催化效率[15,17]。此外，生物膜的致密EPS基质限制了催化纳米材料和ROS的扩散，进一步削弱了治疗效果[19]。因此，最近的研究集中在通过催化放大、微环境调节以及与外部刺激响应疗法的整合来提高CDT的效果[20]。
与PDT相比，SDT最近作为一种极具吸引力的抗菌方法出现，因为超声（US）具有出色的组织穿透能力，能够有效到达深层感染部位[21],[22],[23]。在SDT中，US激活声敏剂通过声空化、声致发光和载流子激发过程生成ROS。SDT诱导的ROS生成通常涉及两条途径。在I型途径中，声激发下生成的电子/空穴（e?/h?）对参与界面电子转移反应，生成如·OH和·O2-等自由基。在II型途径中，激发态能量传递给基态三线态氧（3O2），从而生成高活性的1O2[24,25]。基于半导体的声敏剂在SDT中显示出巨大的潜力，因为它们的电子带结构有助于在超声刺激下半载流子的激发和分离[26,27]。然而，在复杂的细菌感染环境中，尤其是在成熟的生物膜内，单一途径的ROS生成往往不足以维持持续的氧化损伤。缺氧、还原性物质和密集的生物膜结构会显著抑制ROS的积累和扩散，从而限制了抗菌效果。因此，开发能够同时激活多个ROS生成途径的多功能声敏剂已成为抗菌纳米医学的重要方向[28],[29],[30]。多金属硫化物半导体是一类有前景的材料，由于其窄带隙、可调电子结构和高效的电荷转移特性，可用于协同ROS介导的抗菌治疗[31]。在超声刺激下，价带中的电子可以容易地激发到导带，生成参与后续氧化还原和能量转移过程的电子-空穴对[32],[33]。有效的载流子分离使I型和II型ROS生成途径同时激活。此外，多种金属元素的结合引入了丰富的催化活性位点，并加速了电子转移动力学，从而提高了催化ROS的生成效率。尽管有这些优势，多金属硫化物在协同CDT/SDT抗菌治疗中的应用仍然很大程度上未被探索。在多金属硫化物中，Cu4SnS4（CTS）特别适用于抗菌应用，因为其基于铜的氧化还原化学为类Fenton的H2O2激活提供了内在的催化基础，而其窄带隙半导体特性有利于超声诱导的电荷激发和传递。Cu和Sn的共存还提供了多组分电子结构，可能有助于在超声刺激下促进界面电荷重新分布和氧化还原反应。这些特性使CTS适合将催化H2O2激活与超声触发的ROS生成集成在一个复杂的系统中，为其作为CDT/SDT抗菌剂的选择提供了理论依据。
在这项研究中，我们开发了一种基于多金属硫化物半导体的多功能抗菌纳米平台，该平台同时作为声敏剂和类Fenton的生物催化剂，用于协同CDT/SDT抗菌治疗（图1）。与传统声敏剂或单金属催化系统相比，CTS将几个独特优势集成到一个平台上。首先，CTS内的Cu+/Cu2+氧化还原对能够在微酸性感染条件下高效催化内源性H2O2，通过类Fenton反应持续生成高毒性的·OH。其次，CTS的窄带隙半导体结构在超声照射下促进高效的载流子激发和电子-空穴分离，从而加速界面电子转移并促进快速的铜价态循环。这一过程显著提高了·OH的生成效率和可持续性。第三，CTS内超声诱导的激发态能量传递通过II型SDT途径高效地将周围的分子氧转化为1O2。最后，CTS建立了双途径的ROS放大机制，结合了CDT衍生的·OH生成和SDT诱导的1O2生成。重要的是，超声激活通过多种机制进一步增强了CTS的抗菌效果。声空化改善了质量传输，并促进了CTS深入生物膜的过程，从而促进了ROS在整个细菌群落中的扩散。同时，超声诱导的载流子激发不断加速Cu+/Cu2+循环，确保了感染微环境中的持续催化活性和持久的氧化应激。通过多种ROS途径的协同放大，CTS有效破坏了细菌膜，损伤了细胞内生物大分子，并破坏了生物膜结构，从而实现了强烈的抗菌和抗生物膜效果。体外和体内实验均表明，CTS对耐药细菌表现出良好的抗菌效果，并显著促进了感染伤口的愈合。此外，CTS在细胞和动物水平上显示出良好的生物安全性和可忽略的系统毒性。总的来说，这项工作提出了一种具有集成催化和声动力学特性的多功能多金属硫化物半导体，为超声诱导的ROS放大和协同CDT/SDT抗菌治疗提供了潜在策略。

部分摘录
CTS的制备
CTS是通过使用CH4N2S作为硫源前体的一步水热方法制备的。具体制备过程如下：分别称取1 mmol的CuCl2·2H2O和0.8 mmol的SnCl2·2H2O作为铜和锡来源。CuCl2·2H2O溶解在C2H6O2和去离子水的混合溶剂中，体积比为1:1，得到溶液一（25 mL）。SnCl2·2H2O溶解在同一体积比的混合溶剂中，即C2H6O2: H2O = 1:1，得到溶液二。

结构表征
为了合成CTS，使用了硫脲（CH4N2S）作为硫源，以促进均相前体混合并在温和的水热条件下控制成核。通过可控的原位硫化和相重构过程，在封闭的反应系统中成功合成了相纯且结构稳定的CTS。透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）显示，制备的CTS呈现均匀分散的特性。

讨论
抗生素耐药细菌和与生物膜相关的感染日益普遍，迫切需要不需要依赖传统抗生素的替代抗菌策略。在这种情况下，我们开发了一种对超声响应的CTS半导体平台，该平台结合了CDT和SDT，克服了ROS生成不足和生物膜清除效果不佳的问题。

结论
总之，我们开发了一种多功能CTS多金属硫化物纳米平台，用于增强超声的抗菌效果，并展示了其作为双重功能声敏剂和化学动力学催化剂的潜力，用于感染治疗。利用CTS内在的Cu+/Cu2+氧化还原循环和窄带隙半导体特性，实现了协同的CDT和SDT。在模拟感染条件下，CTS通过类Fenton反应催化H2O2分解，生成·OH。

作者贡献声明
赵静：写作——原始草稿、验证、方法学、调查、形式分析、概念化。
李若楠：写作——原始草稿、验证、方法学、调查、形式分析、数据管理。
朱卫生：方法学、调查、形式分析。
吴俊杰：资源、方法学、形式分析。
康跃军：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。
薛鹏：写作——审稿与编辑、监督、项目管理。

Jing Zhao | Ruonan Li | Weisheng Zhu | Junjie Wu | Yuejun Kang | Peng Xue