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四川大學(xué)李玉寶/李吉東 ACS Nano：多酶活性硫量子點(diǎn)納米酶介導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)在感染性骨缺損全期對癥治療中的應(yīng)用

2025-02-28 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：多酶活性硫量子點(diǎn) 納米酶級聯(lián)反應(yīng) 感染性骨缺損

感染性骨缺損（IBDs）是骨科、頜面外科和牙種植科的常見并發(fā)癥，具有感染持續(xù)和骨愈合緩慢等特點(diǎn)。細(xì)菌常在植入物表面形成生物膜，導(dǎo)致難以根除的慢性感染。在感染性骨缺損的治療中，早期細(xì)菌清除、中期炎癥緩解以及晚期組織愈合的有效銜接仍是臨床面臨的重要挑戰(zhàn)。

近日，四川大學(xué)分析測試中心李玉寶/李吉東團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于硫量子點(diǎn)（SQDs）的智能納米酶體系。該工作通過精準(zhǔn)調(diào)控酶級聯(lián)反應(yīng)順序，實(shí)現(xiàn)早期殺菌、中期抗炎與晚期骨再生的全階段協(xié)同治療感染性骨缺損（IBDs），為納米酶在感染性組織修復(fù)領(lǐng)域提供了創(chuàng)新策略。相關(guān)工作以“Multienzyme-Activity Sulfur Quantum Dot Nanozyme-Mediated Cascade Reactions in Whole-Stage Symptomatic Therapy of Infected Bone Defects”為題發(fā)表在ACS Nano期刊上。四川大學(xué)Jiangshan Liu（劉江山）博士生為論文第一作者，Jidong Li（李吉東）和Yubao Li（李玉寶）為通訊作者。

示意圖｜硫量子點(diǎn)納米酶合成及介導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)治療感染性骨缺損

圖1｜硫量子點(diǎn)納米酶的合成與結(jié)構(gòu)表征

通過采用自上而下的過氧化氫刻蝕技術(shù)結(jié)合乙二胺輔助加速法，成功制備了超小尺寸（2.06 ± 0.06 nm）硫量子點(diǎn)。表面修飾的乙二胺配體增強(qiáng)了其穩(wěn)定性和生物相容性。通過實(shí)現(xiàn)納米級單質(zhì)硫的晶體結(jié)構(gòu)可控合成，突破傳統(tǒng)硫顆粒溶解性差、活性低的技術(shù)瓶頸。

圖2｜硫量子點(diǎn)納米酶多酶活性的pH響應(yīng)性

圖3 DFT計(jì)算揭示硫量子點(diǎn)納米酶pH響應(yīng)活性起源

通過多酶活性測試以及DFT計(jì)算證實(shí)了硫量子點(diǎn)納米酶多酶活性的pH響應(yīng)性。研究發(fā)現(xiàn)SQDs納米酶在不同pH條件下展現(xiàn)出不同的催化機(jī)制。在酸性環(huán)境中，SQDs納米酶能夠通過超氧化物歧化酶-過氧化物酶（SOD-POD）級聯(lián)反應(yīng)有效催化ROS的原位生成。而在中性環(huán)境中，SQDs納米酶則通過SOD-過氧化氫酶（CAT）級聯(lián)反應(yīng)促進(jìn)H₂O₂分解成水和氧氣，從而減少ROS的積累。這種pH響應(yīng)性的催化特性為感染性骨缺損的全階段對癥治療提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)“先殺菌后修復(fù)”時(shí)序智能控制新策略。

圖4｜抗菌性能抗菌機(jī)制解析

SQDs納米酶通過“ROS爆發(fā)+硫化氫釋放”雙重攻擊，突破細(xì)菌防御體系，對金黃色葡萄球菌/大腸桿菌殺滅率>99%，可通過引起氧化應(yīng)激和干擾ATP電子傳遞鏈，影響細(xì)菌正常的轉(zhuǎn)錄、合成和代謝生物學(xué)過程。SQDs納米酶是一種通過氧化應(yīng)激損傷和阻斷呼吸鏈來發(fā)揮抗菌作用的高性能廣譜抗菌劑。

圖5｜體外免疫微環(huán)境重塑與免疫成骨

SQDs納米酶通過發(fā)揮SOD/CAT酶級聯(lián)活胞內(nèi)清除ROS，促使巨噬細(xì)胞重編程從促炎表型往抗炎表型轉(zhuǎn)變，從而緩解炎癥微環(huán)境。SQDs納米酶驅(qū)動的巨噬細(xì)胞極化轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了一個(gè)有利的免疫微環(huán)境，從而增強(qiáng)了BMSCs的成骨分化。

圖6｜感染性骨缺損的治療

動物實(shí)驗(yàn)表明，SQDs納米酶在早期能夠?qū)崿F(xiàn)快速細(xì)菌清除，并通過激活NF-κB炎癥信號通路調(diào)節(jié)免疫微環(huán)境，促進(jìn)了感染性骨缺損的愈合。通過“殺菌-抗炎-成骨”級聯(lián)調(diào)控，攻克感染性骨缺損修復(fù)難題。本研究開發(fā)的SQDs納米酶體系，為動態(tài)微環(huán)境響應(yīng)型催化藥物設(shè)計(jì)提供了新范式。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA1201300）和國家自然科學(xué)基金（32171338）的支持。

原文鏈接

J. Liu, J. Wei, S. Xiao, L. Yuan, H. Liu, Y. Zuo, Y. Li*, and J. Li*. A Multienzyme-Activity Sulfur Quantum Dot Nanozyme-Mediated Cascade Reactions in Whole-Stage Symptomatic Therapy of Infected Bone Defects.

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12343

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（責(zé)任編輯：xu）

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