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  細(xì)菌感染是傷口處理過程中存在的主要問題。由于抗生素的長期使用與濫用，細(xì)菌耐藥性不斷提高，探索替代抗生素的應(yīng)對細(xì)菌感染的有效治療策略尤為關(guān)鍵。納米酶，一類具有類酶活性的納米尺寸的材料，具有低成本、高催化活性以及易于調(diào)控的優(yōu)勢，可作為替代抗生素的新型抗菌藥物，在傷口消毒領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。近年來，氮摻雜的碳基納米酶因其優(yōu)異的光熱性能與催化活性，已在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。其中，碳點（CDs），一種尺寸小于10 nm的零維碳基納米材料，由于其優(yōu)異的光學(xué)性能、催化性能和生物相容性，在抗菌治療領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力。然而，CDs內(nèi)部的電子轉(zhuǎn)移效率較低，類酶的催化效率有限，限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。為改善CDs內(nèi)部電子環(huán)境，雜原子摻雜策略被提出。最近研究表明，在類過氧化物酶（類POD）催化過程中，鐵摻雜碳基納米酶具有更高的活性中心利用率，能催化H₂O₂產(chǎn)生更多的·OH。且鐵摻雜碳納米酶表現(xiàn)出比其他金屬（即Mn、Co、Ni、Cu）摻雜的碳納米酶更高的類酶活性。此外，在近紅外(NIR)區(qū)域具有強(qiáng)吸光性質(zhì)的CDs還可作為光熱療法(PTT)的光熱劑，并有望通過熱場促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移效率，從而增強(qiáng)類酶活性，實現(xiàn)高效的協(xié)同抗菌治療。

  有鑒于此，軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院周冬生研究員和北京化工大學(xué)劉惠玉教授等人通過一鍋熱解方法構(gòu)建了超小尺寸鐵摻雜碳點（Fe-CDs，~3 nm）納米酶。鐵的摻雜和超小尺寸暴露出的大量活性位點使得Fe-CDs能夠高效催化H₂O₂產(chǎn)生·OH；在近紅外光激發(fā)下，Fe-CDs具有吸收光能轉(zhuǎn)換為熱能的特性，同時，由于光熱效應(yīng)提高了電子轉(zhuǎn)移效率，Fe-CDs催化產(chǎn)生·OH的能力得到增強(qiáng)，從而實現(xiàn)光增強(qiáng)的抗菌治療和傷口愈合。并且，超小尺寸的Fe-CDs 具有良好的生物相容性，有利于臨床轉(zhuǎn)化。此外，通過免疫組化和免疫熒光實驗對促傷口愈合過程進(jìn)行了深入探討，實驗結(jié)果證實其高效的愈合效果與Fe-CDs納米酶介導(dǎo)的治療方式帶來的預(yù)防感染、促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖、血管生成和膠原沉積有關(guān)。研究認(rèn)為，Fe-CDs的雙功能策略開辟了一條使用生物相容性無抗生素納米材料進(jìn)行傷口消毒和愈合的有效途徑。相關(guān)成果以“Ultrasmall Fe-doped carbon dots nanozymes for photoenhanced antibacterial therapy and wound healing”為題發(fā)表在《Bioactive Materials》。

【文章要點】

  通過將2g 乙二胺四乙酸單鈉鐵鹽（NaFeEDTA）在N₂氣氛、350 ℃下熱解2h 制備得到Fe-CDs。通過類似方法制備得到純CDs，不同的是前驅(qū)體為乙二胺四乙酸二鈉鹽二水合物（Na₂[H₂(EDTA)]·2H₂O）。EDTA具有柔性結(jié)構(gòu)，是制備CDs的常用原料，EDTA與金屬離子螯合后可形成飽和的類席夫堿結(jié)構(gòu)。

圖1. Fe-CDs的制備與表征

二、光熱性能與光響應(yīng)類酶活性

圖2. Fe-CDs的光熱及類酶活性表征

三、體外抗菌

  通過平板計數(shù)法檢測Fe-CDs對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌活性。H₂O₂（0.003%，1mM）在Fe-CDs的催化作用下，對大腸桿菌（約40%）和金黃色葡萄球菌（約16%）的活性有明顯的抑制作用，而單獨用H₂O₂或Fe-CDs處理的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的活性幾乎沒有下降，這些現(xiàn)象可以歸因于·OH的產(chǎn)生。另外還用熒光染料SYTO-9和PI對大腸桿菌進(jìn)行了活/死檢測，在共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）上顯示了類似的殺菌結(jié)果。

圖3. Fe-CDs的體外抗菌性能評估

四、抗菌促傷口愈合

圖4. Fe-CDs體內(nèi)抗菌及促傷口愈合效果評估

五、機(jī)制探索

圖5. Fe-CDs促傷口愈合機(jī)制研究

  原文鏈接：

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X21004886. 

  https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.10.023