设计一种有效的治疗策略来对抗复杂的多菌生物膜引起的口腔疾病仍然是一个巨大的挑战。国科温州研究院刘勇/叶方富&温州医科大学李圆凤/胡荣党以多酚类化合物为稳定剂和还原剂，构建了一系列含Pd纳米粒子节点的金属-酚醛网络(MPN-Pd)。其中，超细钯纳米粒子(Pd NPs)的磺化木质素-Pd(SLS-Pd)具有良好的类氧化物酶活性和稳定的光热效应。体外实验表明，SLS-Pd类氧化物酶活性产生的超氧阴离子自由基具有选择性抗菌作用，而其光热效应诱导的高温具有较强的抗真菌活性。此外，SLS-PD介导的协同抗菌体系在对抗各种生物被膜和多菌生物被膜方面表现出显著的效果。通过建立根管模型和口咽念珠菌感染模型，进一步验证了协同抗菌系统治疗口腔生物被膜相关感染的可行性。该系统为口腔多菌生物被膜相关感染提供了一种很有前途的治疗方法。该研究以题为“Metal-Phenolic Network with Pd Nanoparticle Nodes Synergizes Oxidase-Like And Photothermal Properties to Eradicate Oral Polymicrobial Biofilm-Associated Infections”的论文发表在《Advanced Materials》上。

该研究开发了带有钯纳米颗粒节点的金属-酚醛网络(MPN-PD)，它可以协同氧化物样和光热特性来增强对口腔多菌生物膜相关感染的疗效。多酚是一种植物偏离分子，广泛用作构建各种骨架的构件，特别是金属-酚醛网络(MPN)。在该设计中，Pd²⁺通过配位键和阳离子-π相互作用稳定在多酚网络结构中，并进一步在原位还原，生成钯纳米粒子(Pd-NPs)节点，驱动MPN-Pd的形成。同时，微小的金属Pd纳米粒子(~5 nm)稳定在MPN-Pd的聚合物基质中，抑制了不必要的团聚。微小的钯纳米粒子具有以下优点:首先，小颗粒具有较大的比表面积，有利于纳米颗粒表面O₂的还原并转化为·O₂^-。第二，稳定的钯纳米粒子对于在近红外线(NIR)光照射下产生高温是必不可少的。在这一点上，MPN-PD产生的·O₂^-可以通过其类氧化酶性质主导的方式杀灭变形链球菌和粪肠球菌等细菌。此外，白色念珠菌对MPN-PD介导的热疗更敏感，通过光热效应主导的方式被根除。因此，MPN-Pd介导的协同抗菌系统可以快速杀灭变形链球菌、粪肠球菌和白色念珠菌形成的多菌生物膜。此外，通过建立体外根管感染模型和体内口咽念珠菌感染模型，对MPN-PD介导的协同抗菌系统治疗口腔生物被膜相关感染进行了系统验证。

方案 1. 带有钯纳米颗粒节点的金属-酚醛网络(MPN-PD)的合成示意图

【MPN-Pd的合成与表征】

使用典型的多酚，如单宁酸(TA)、没食子酸(GA)、咖啡酸(CA)、邻苯三酚酸(PA)、表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)、磺化物，通过简单的一锅还原合成MPN-Pd。木质素(SLS)，作为环境温度下Pd²⁺的构建模块。与所有小分子多酚不同，SLS是通过磺化木质素的羟基而获得的线性高分子化合物。在8小时的观察期内，悬浮液逐渐从浅黄色变为深棕色。透析去除剩余的游离Pd²⁺和多酚后，获得最终的MPN-Pd，为棕色悬浮液。

图 1. MPN-Pd的合成与表征

【MPN-Pd的酶活性和光热效应】

为了验证MPN-PD的氧化物样活性，首先，在氧(电子受体)存在的情况下，以3，3’，5，5’-四甲基联苯胺(TMB)和抗坏血酸(AA)为底物(电子供体)。PA-Pd和SLS-Pd网络对TMB的氧化效率明显高于其他MPN-PDS。MPN-Pd的催化活性与其在水溶液中的稳定性呈正相关。SLS-Pd氧化TMB的类氧化酶活性大约是TA-Pd的4倍。类似地，以AA为底物进一步评价了MPN-PD的类氧化物酶活性。SLS-Pd表现出最高的类氧化物酶活性。

与其他MPN-Pd相比，SLS-Pd具有更好的分散特性和超细的Pd纳米颗粒，表现出最高的类氧化酶活性。SLS-Pd网络在pH 4.5时表现出最大的氧化酶样活性，这表明SLS-Pd网络的酶活性可用于口腔的ROS治疗。由于局域表面等离子体共振效应，Pd NPs在近红外辐射下表现出高效的光热转换性能。SLS-Pd网络具有稳定的光热稳定性。基于上述实验数据，SLS-Pd网络表现出显着的类氧化酶活性，特别是它们在酸性环境(pH 4.5)下催化O₂转化为剧毒·O₂^–的能力，从而表现出潜在的抗菌作用功效。此外，已确定SLS-Pd网络具有在暴露于近红外辐射时诱导高温的能力。值得注意的是，SLS-Pd网络的光热转换过程可以提高系统的温度，同时增强类氧化酶活性。

图 2. MPN-Pd的酶活性和光热效应

【体外协同抗菌性能】

在模拟生物膜微环境的酸性环境(pH 4.50)中，SLS-Pd网络的氧化酶样活性导致针对粪肠球菌和变形链球菌的CFU减少。在pH 4.5下进行45分钟近红外辐射后，SLS-Pd网络诱导粪肠球菌、变形链球菌和白色念珠菌的 CFU减少更多，表明类氧化酶活性和光热效应的协同作用在杀灭细菌和真菌方面表现出优异的潜力。归因于SLS-Pd介导的协同系统通过细胞膜损伤发挥抗菌潜力。还注意到，SLS-Pd 氧化酶样活性介导的ROS处理在细菌中更为明显。相比之下，SLS-Pd介导的高温对真菌表现出更重要的抗菌能力。因此，推测上述现象可能归因于细菌和真菌对氧化应激过程的不同反应及其膜结构的差异。

图 3. SLS-Pd介导的协同抗菌性能的评估

【通过RNA测序分析和全原子模拟研究协同抗菌机制】

为了进一步阐明SLS-Pd系统对细菌和真菌的协同抗菌过程，进行了RNA测序分析和全原子模拟。结果表明真菌可以通过过氧化物酶抵抗SLS-Pd氧化酶样活性引起的氧化应激分泌。为了进一步阐明SLS-Pd介导的协同抗菌机制，通过分子动力学模拟比较研究了ROS处理和热疗对细菌和真菌膜的结构和动态特性的影响。SLS-Pd产生的•O₂^-可以使细菌膜中的磷脂过氧化，破坏其膜结构并导致细菌死亡。真菌通过分泌过氧化物酶来抵抗•O₂^-对其膜结构造成的损伤。因此，SLS-Pd氧化酶样活性介导的ROS处理对细菌的作用更为明显。然而，由于真菌膜结构对温度的高度敏感性，SLS-Pd介导的热疗可以实现真菌杀灭。值得注意的是，通过整合氧化酶活性和光热效应建立的协同抗菌系统可以实现对细菌和真菌的全面杀灭。

图 4.RNA测序分析和全原子模拟

【SLS-Pd介导的协同抗菌系统消除成熟生物膜】

SLS-Pd网络所表现出的令人满意的协同抗菌能力促使进一步研究其对成熟生物膜的根除效率。SLS-Pd网络通过其氧化酶活性和光热效应在成熟生物膜中表现出不同的抗菌功效。进一步的定量数据表明，SLS-Pd介导的协同处理显着降低了生物膜内的微生物活力并减少了其厚度。此外，还评估了SLS-Pd介导的协同抗菌系统解离多种微生物生物膜的能力。结果表明SLS-Pd介导的协同抗菌系统对细菌多种微生物生物膜表现出优异的根除能力。

图 5.SLS-Pd消除成熟的生物膜

【SLS-Pd介导的根管离体生物膜相关感染的协同系统】

基于SLS-Pd介导的协同系统强大的根除生物膜的能力，通过全提取的人体单根建立了粪肠球菌生物膜感染的根管模型，以验证SLS-Pd的协同治疗效果。在pH 4.50和近红外辐射下用SLS-Pd网络处理后，牙本质小管充分暴露，细菌粘附减少。这些结果表明，SLS-Pd介导的协同系统对于治疗根管治疗中的细菌生物膜是安全有效的。

图 6. SLS-Pd介导的消除根管内粪肠球菌生物膜的协同系统

【SLS-Pd介导的口咽念珠菌病治疗协同系统】

由于生物膜对抗真菌药物固有的耐药性，迫切需要开发一种治疗口腔念珠菌病感染的新疗法。为了验证SLS-Pd介导的协同系统治疗口腔念珠菌病的可行性，该研究建立了小鼠口腔念珠菌感染模型。结果表明，SLS-Pd介导的协同抗菌系统可以通过根除口腔中的白色念珠菌来达到治疗口咽念珠菌病的治疗目标。此外，SLS-Pd网络具有优异的生物相容性，证实了该材料具有良好的生物相容性。

图 7. SLS-Pd介导的用于治疗口腔念珠菌病的协同系统

【小结】

该研究通过一种简单有效的策略构建了一系列MPN-Pd。其中，SLS-Pd表现出优异的类氧化酶活性和稳定的光热转换性能。这些特性使 SLS-Pd 能够充当先进的协同抗菌系统。在体外实验中，观察到SLS-Pd氧化酶样活性介导的ROS处理对细菌(变形链球菌和粪肠球菌)更明显，而SLS-Pd介导的热疗表现出更重要的抗真菌能力(白色念珠菌)。上述现象归因于细菌和真菌对氧化应激过程的不同反应及其膜结构的差异，并进一步证实了类氧化酶活性和光热效应的协同过程对抗微生物。值得注意的是，SLS-Pd介导的协同抗菌系统在对抗细菌、真菌和多种微生物形成的生物膜方面表现出显着的功效。通过建立根管模型和口咽部念珠菌病模型，进一步验证了SLS-Pd介导的协同抗菌系统治疗口腔生物膜相关感染的可行性。总体而言，这项工作为口腔生物膜相关感染的综合治疗提供了一种方便可行的策略。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202306376