尖刺状MnO?微粒作为一种界面驱动的机械化学抗菌平台

《Journal of Colloid and Interface Science》：Spiky MnO 2 microparticles as an Interface-driven mechanochemical antibacterial platform

　　

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  利用尖刺状MnO₂微粒构建了一个界面驱动的抗菌平台。
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  将拓扑结构相关的力学杀菌效应与纳米酶活性相结合。
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  该平台能使细菌失活，抑制生物膜形成，并部分破坏成熟的生物膜。

引言

细菌感染仍然是对人类健康的持续威胁，而抗生素的过度和不恰当使用加速了耐药菌株的出现[1]。在各种类型的感染中，与生物膜相关的感染尤其难以治疗。在生物膜中，细菌嵌入在致密的外细胞聚合物基质（EPS）中，该基质限制了抗菌剂的渗透，并创造了复杂的局部微环境，从而降低了传统抗菌治疗的有效性[2]。目前的抗菌方法，包括抗生素、金属离子和抗菌涂层，已显示出不同程度的疗效，但其应用仍受到抗生素耐药性、潜在的细胞毒性和较差的长期稳定性的限制[3]。更重要的是，这些方法中的许多主要依赖于单一的抗菌机制，难以同时克服生物膜的物理屏障和生物膜微环境中的氧化还原保护[4]。这些局限性凸显了对将有效细菌失活与对生物膜微环境的响应相结合的反细菌平台的需求。

生物膜微环境以其温和的酸性、缺氧、还原条件以及过氧化氢（H₂O₂）的存在为特征，已成为微环境响应型抗菌纳米平台的重要靶点[5], [6]。在此背景下，基于纳米酶的平台尤其具有吸引力[7]。例如，类过氧化物酶（POD）纳米酶可以催化H₂O₂向活性氧（ROS）的转化，对细菌造成氧化损伤[8]。锰基纳米酶在此背景下引起了相当大的关注，这是因为锰是参与生理过程的必需微量元素，并且可以采用多种氧化态，包括Mn²⁺、Mn³⁺和Mn⁴⁺，从而实现氧化还原循环并提供催化多功能性[9]。二氧化锰（MnO₂）是一种广泛用于抗菌平台的代表性锰基纳米酶。根据合成方法的不同，MnO₂可以制备成各种形式，包括颗粒、片层、复合材料和分级结构，这些已被纳入各种抗菌系统中，如表S1所述[10], [11], [12], [13]。在以前报道的平台上，通过MnO₂的类POD活性产生ROS通常是细菌杀灭和生物膜抑制的主要机制。然而，这一过程可能会受到生物膜中低H₂O₂水平、细菌表面附近ROS产生不足、寿命短以及ROS扩散距离有限的限制，以及谷胱甘肽（GSH）等抗氧化剂的淬灭作用[14], [15], [16]。为了提高ROS的利用率，基于MnO₂的平台已被设计为通过MnO₂的类谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性消耗GSH，或者与其他抗菌机制相结合[17], [18], [19], [20]。尽管取得了这些进展，MnO₂拓扑结构调节细菌-材料相互作用、局部催化活性和由此产生的抗菌效应的方式仍然理解不足。

提高局部抗菌效应的直接策略是在细菌表面附近积累抗菌材料[21]。这可以通过用特定化学基团、抗体、适配体或靶向肽对材料进行功能化来实现，以促进选择性细菌结合[22]。虽然这些方法可以减少抗菌剂和细菌之间的距离，但其对分子识别的依赖性意味着不一定能确保与细菌包膜的紧密物理接触[23]。结构工程化的抗菌界面提供了一种替代方法[24]。自2012年报道蝉翼上天然纳米柱阵列通过接触依赖性力学效应杀灭附着细菌以来[25]，各种人工尖刺结构，包括纳米针、尖刺状纳米球和纳米柱阵列，已被开发出来以增强与细菌细胞的界面相互作用[26], [27]。与光滑表面相比，尖刺状形貌可以促进细菌-材料密切接触，并可能有助于拓扑结构相关的力学杀菌效应。提出的机制包括膜拉伸、尖锐纳米结构的穿透以及协同的ROS介导的力学杀菌效应[28], [29]。更重要的是，这种接触相关效应可以将抗菌作用局限于细菌表面，从而创造将力学杀菌效应与其他抗菌机制相结合的机会[30], [31]。例如，将尖刺结构与类POD纳米酶整合可能使ROS的产生更接近细菌表面，从而可能增强氧化损伤[32]。然而，在富含GSH的生物膜微环境中，ROS仍可能被迅速淬灭，从而限制了其整体抗菌效果。综上所述，这些考虑因素促使开发了将力学杀菌效应与MnO₂纳米酶活性相结合的平台，以提高ROS利用率和抗菌性能。

基于这些考虑，本工作利用尖刺状二氧化锰（SP-MnO₂）微粒开发了一个界面驱动的力化学抗菌平台（图1）。该平台的设计目的是将抗菌作用集中在细菌表面附近，这种局部活性可能更为有效。在该平台中，尖刺状形貌促进了细菌捕获，并促进了细菌与材料之间的密切接触，创建了用于拓扑结构相关抗菌相互作用的富接触界面。同时，MnO₂的类GSH-Px和类POD活性分别导致了GSH消耗和促进了ROS生成，从而削弱了抗氧化缓冲并诱导了局部氧化损伤。在体外实验中，SP-MnO₂降低了大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的活性，抑制了生物膜形成，并部分破坏了成熟的生物膜。对照实验进一步证明了尖刺状形貌对抗菌活性的显著贡献。此外，SP-MnO₂表现出可接受的短期细胞相容性和血液相容性。总体而言，本研究引入了一种概念验证性抗菌平台，并为将形貌相关的力学杀菌效应与纳米酶活性相结合提供了一种合理的策略。

分段摘要

材料和试剂

硫酸锰一水合物（MnSO₄·H₂O，99.5%）、过硫酸铵（(NH₄)₂S₂O₈，98%）、硫酸（H₂SO₄，98%）、GSH（98%）、5,5'-二硫代双(2-硝基苯甲酸)（DTNB，98%）、二甲基亚砜（DMSO，99.5%）、H₂O₂（30%）、亚甲蓝（MB，70%）、碳酸氢钠（NaHCO₃，99.8%）、氯化锰（MnCl₂，99%）、D-甘露醇（Man，99%）、结晶紫（1%）和戊二醛（50%）均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。2',7'-二氯二氢荧光素

SP-MnO₂的制备与表征

为了构建界面驱动的抗菌平台，采用水热法以MnSO₄·H₂O作为锰前驱体合成了SP-MnO₂微粒。低倍和高倍透射电镜（TEM）图像显示，所得MnO₂微粒相对均匀且呈球形，其表面密集覆盖着径向排列的尖刺，平均长度为1240 ± 190 nm，形成了分级微球-尖刺结构（图S1和图1a）。这些表面特征可以

结论

总之，开发了SP-MnO₂微粒作为界面驱动的力化学平台用于抗菌应用。尖刺状形貌促进了细菌捕获和细菌-材料紧密接触，为局部抗菌效应提供了结构基础。同时，MnO₂表现出类GSH-Px活性消耗GSH以及在H₂O₂存在下类POD活性产生ROS。这些效应共同实现了浮游细菌的有效失活

CRediT作者贡献声明

Laibo Song：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿，方法论，调查，数据整理，概念化。Yunchao Hu：撰写—原稿，方法论，调查。Hengjie Liu：调查，数据整理。Zhen Jin：调查，数据整理。Jinlong Chang：调查，数据整理。Wenlong Zhang：调查，数据整理。Xianglong Zhu：调查，数据整理。Lanqi Jia：调查，数据整理。Wu Ren：监督，资源，方法论，

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致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号：82572359）、河南省重点研发计划（批准号：251111310700）和河南医科大学研究项目（批准号：505551）的支持。作者还感谢河南医科大学分析测试中心提供的技术支持。

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