「科研快报」功能化纳米硫化铋通过免疫和菌敏光疗协同作用抗菌

原创YangG抗菌科技圈

第一作者：YuanLi

通讯作者：ShuilinWu

通讯单位：北京大学

研究速览

近期，北京大学ShuilinWu团队在ACSNano上发表了有关功能化纳米硫化铋通过免疫治疗和菌敏光疗的协同作用治疗多药耐药细菌感染的研究工作。光疗法由于其灵活性和治疗效率高，在治疗细菌引起的疾病中迅速兴起，但如何在温和条件下同时提高细菌对活性氧(ROS)和热的敏感性，杀死细菌仍是一个挑战。该研究设计了一种将•O2−原位转化为过氧亚硝酸盐的近红外光催化剂(Bi2S3-S-亚硝基硫醇乙酰胆碱(BSNA))，能增强细菌对ROS和热的敏感性，并在温和的温度下杀灭细菌。原位转化的过氧亚硝酸盐具有较强的穿透细胞膜的能力和抗氧化能力。BSNA纳米颗粒(NPs)通过下调xerC/xerD表达抑制细菌葡萄糖代谢过程，并通过硝化TYR179破坏HSP70/HSP90二级结构。此外，该研究设计的BSNA与临床抗生素的协同作用提高了抗菌活性。在四环素类抗生素中，BSNANPs诱导酚羟基结构改变，抑制四环素与靶向t-RNA重组蛋白的相互作用。同时，BSNA刺激更多的CD8+T细胞的产生，减少腹膜炎常见并发症，具有免疫治疗活性。BSNA的靶向性和抗感染作用展示了一种新的纳米治疗策略，即在温和的温度下实现更有效的协同治疗。

要点分析

要点一，提出了一种新的纳米治疗策略：中温光疗是一种温和的方法来减少光疗过程中的组织损伤，热休克蛋白抑制剂(HSP)可加载到肿瘤细胞中，使细胞对温度敏感。然而，抑制剂很难进入细菌体内，因此需要改进的光治疗策略来减少细菌的热和ROS障碍。本研究提出了一种结合近红外(808nm)光敏硫基半导体纳米颗粒、热敏S-亚硝基硫醇(SN)和乙酰胆碱(Ach)的纳米治疗策略。设计的硫基光催化剂Bi2S3-S-亚硝基硫醇乙酰胆碱(BSNA)NPs能在中光热温度(47℃)下将•O2−转化为过氧亚硝酸盐(•ONOO-)，可同时增加细菌对ROS和热的敏感性，实现靶向安全的光治疗。

要点二，该纳米催化剂可通过多种途径增强抗菌性能：BSNANPs通过硝化TYR179氨基酸改变保护细菌免受光热效应影响的HSP-70结构，抑制Tet/Ter与t-RNA重组蛋白的结合，同时BSNANPs诱导更多CD8+T细胞分化用于免疫治疗。结合增加细菌对ROS、热和免疫治疗的敏感性，该纳米材料显示出在临床安全治疗急性细菌感染的功能。

图文导读

图1.(a)BSNANPs在中等光热温度(47℃)下将•O2−转化为过氧亚硝酸盐(•ONOO-)，增加细菌对ROS和热的敏感性，实现有针对性和安全的光疗机制。(b)大肠杆菌、MRSA、鼠伤寒杆菌、铜绿假单胞菌、维罗氏假单胞菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和普通假单胞菌在不同温度下的OD值。(c)PBS、•O2−和NO处理12h后，大肠杆菌、MRSA、鼠伤寒杆菌、铜绿假单胞菌、维罗氏菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和普通葡萄球菌的OD值。(d)不同ROS种类对金黄色葡萄球菌的荧光强度。(e)孵育12小时后PBS-、•O2−和NO处理的金黄色葡萄球菌和MRSA的平板扩散。(f)•O2−和NO染色金黄色葡萄球菌的荧光强度。(g)不同ROS种类(包括•O2−、NO和•ONOO-)的DCFH-DA染色。

图2.BSNANPs的形态和结构表征。(a)MoS2、Bi2S3、Ag2S和WS2NPs的光动力和光热活性。(b)在浓度为200μg/mL808nm光照射下，MoS2、Bi2S3、Ag2S和WS2NPs的DRS光谱。(c)MoS2、Bi2S3、Ag2S和WS2NPs的能带结构。(d)近红外辐照下BSNANPs的制备示意图及机理。(e)BSNANPs的SEM图像。(f)在200μg/mL的浓度下，808nm光照射后Bi2S3和BSNANPs的光热曲线。(g)不同温度下NO生成曲线。(h)浓度为200μg/mL时，808nm光照射后•ONOO-生成曲线。

图3.BSNANPs通过下调xerC和xerD蛋白抑制糖代谢过程。(a)在浓度为200μg/mL(Bi2S3和BSNANPs)或PBS和MT的808nm光照射下(30min)对金黄色葡萄球菌、MRSA、大肠杆菌、铜绿假单胞菌、斑疹假单胞菌、维罗氏假单胞菌、枯草假单胞菌和普通假单胞菌的抗菌效果。(b)PBS-，MT-和BSNA-L处理后金黄色葡萄球菌的热图。(c,d)MT和BSNA-L与PBS处理的金黄色葡萄球菌的图谱。(e)PBS-、MT-和BSNA-L处理的金黄色葡萄球菌的基因表达。(f,g)在浓度为200μg/mL(BSNA-LNPs)或PBS和BSNA的808nm光照射30分钟后，大肠杆菌(f)和金黄色葡萄球菌(g)的糖代谢水平检测。(h,i)在浓度为200μg/mL(Bi2S3和BSNANPs)或PBS和MT的808nm光照射(持续30分钟)后，Gdl和Imp对金黄色葡萄球菌的糖代谢补偿。(j)BSNANPs处理的金黄色葡萄球菌生长曲线。

图4.BSNANPs通过硝酸氨基酸TYR179抑制了HSP-70蛋白的活性。(a,b)PBS和BSNA在浓度为50μg/mL的808nm光照射下处理金黄色葡萄球菌的TEM图像。(c)PBS和BSNA处理后大肠杆菌的膜厚度模拟。(d)PBS和BSNA浓度为50μg/mL处理后金黄色葡萄球菌的膜厚度模拟。(e)HSP-70和HSP-90在50μg/mL浓度下的CD光谱。(f)BSNA和PBS在50μg/mL浓度下处理HSP-70和HSP-90的拉曼光谱。(g)BSNA和PBS在浓度为50μg/mL时处理HSP-70和HSP-90的FTIR光谱。(h)HSP-70与•ONOO-相互作用前后的分子对接。

图5.BSNANPs与抗生素协同作用，达到较高的抗菌效果。(a)808nm光照射30min后，不同抗生素及抗生素-BSNANPs组合在浓度为50μg/mL时的抗菌活性。(b)有无BSNANPs处理的Tet和Ter的FTIR光谱。(c)在0.1~16MIC的Tet处理下，大肠杆菌、MRSA、鼠伤寒杆菌、铜绿假单胞菌、维罗氏假单胞菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和普通假单胞菌的生长OD。(d,e)Ter和Tet与•ONOO-相互作用的键长。(f)Ter和t-RNA蛋白的分子对接。(g)Tet与t-RNA蛋白的分子对接。

图6.BSNANPs与Ces协同作用促进体内组织再生。(a)PBS、BSNA、Ces和BSNA-Ces分别在808nm浓度为200μg/mL的光照射下，照射12和24h后金黄色葡萄球菌和MRSA感染伤口的CFUs。(b)PBS和BSNA-Ces分别照射小鼠伤口12和24h后金黄色葡萄球菌培养皿。(c)PBS和BSNA-Ces处理的小鼠伤口分别在12和24h后，将MRSA涂板图片。(d)PBS和BSNA-Ces分别孵育12和24h后伤口的HE染色图像。(e)PBS和BSNA-Ces处理的表皮组织的马松染色和(f)天狼星红染色。

图7.BSNANPs通过增加CD8+T细胞减少急性腹膜炎的肾损伤。(a)急性腹腔感染治疗后1d小鼠全血常规试验。(b)治疗3d后肾脏的HE染色。(c)治疗3d后PBS、BSNA和BSNA-L的肾脏图像。(d,e)1d(d)和4d(e)用流式细胞仪分析CD4和CD8细胞。

图8.BSNANPs可有效治疗MRSA和大肠杆菌感染的腹膜炎。(a)BSNANPs靶向大肠杆菌。(b)BSNANPs对腹腔感染小鼠大肠杆菌的靶向作用。(c)PBS和BSNA处理后小鼠尿液的TEM图像。(d,e)PBS-和BSNA处理小鼠器官的CFU。(f,g)感染大肠杆菌和MRSA的小鼠存活率。

结论

为应对细菌感染问题，该论文设计了一种新型近红外光催化纳米材料（BSNANPs）。

1、BSNANPs在中温(47℃)下将•O2−原位转化为•ONOO-，增加细菌对ROS和热的敏感性，实现安全的光疗。

2、BSNANPs通过下调xerC/xerD表达抑制细菌葡萄糖代谢过程，并通过硝化TYR179破坏重要的HSP70/90二级结构，增强抗菌活性，并且能诱导更多肾脏CD8+T细胞，减轻光疗后肾脏损伤。

参考文献：YuanLi,XiangmeiLiu,ZhuoCui,YufengZheng,HuiJiang,YuZhang,YanqinLiang,ZhaoyangLi,ShengliZhu,andShuilinWu*TreatingMulti-Drug-ResistantBacterialInfectionsbyFunctionalizedNano-BismuthSulfideth,DOI:10.1021/

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