ACS Applied Materials Interfaces：金纳米团簇的近红外光活化光疗用于生物膜的分散

第一作者：Yangzhouyun Xie

通讯作者：Wenfu Zheng，Xingyu Jiang

通讯单位：国家纳米中心，南方科技大学

研究内容：

细菌生物膜与慢性感染密切相关，难以根除，对公共卫生构成严重威胁。开发有效的治疗策略，通过根除由生物膜保护的细菌来预防和控制医院获得性感染是一个挑战。在此，作者开发了脱氧核糖核酸酶(DNase)功能化的金纳米团簇(AuNCs)。(DNase-AuNCs)，能够杀死革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，特别是分散周围的生物膜。在808 nm激光照射下，DNase可以分解细胞外聚合物基质，使无防御能力的细菌暴露在DNase-AuNCs的光热(PTT)和光动力(PDT)治疗下。酶解、PDT和PTT结合可有效去除生物膜，分散率高达80%，杀灭屏蔽菌约90%。DNase-AuNCs在治疗细菌生物膜包覆正畸器械方面表现出显著的治疗效果(隐适美对准器)，说明了它们在医疗设备上的潜在应用。

要点一：

作者通过混合氯金酸(HAuCl₄)和DNase合成了DNase-AuNCs。DNA是细菌生物膜形成和维持的重要组成部分之一。DNase的加入有利于生物膜的生物清除，破坏生物膜的结构，有利于AuNCs通过光疗杀死被包的细菌。高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像表明了这一点DNase-AuNCs呈球形，平均直径约为2.3 nm (图1a)。动态光散射表明，DNase-AuNCs具有较窄的尺寸分布(2.33±0.72 nm) (图1b)。在540 nm处激发，DNase-AuNCs在670 nm处表现出较强的荧光发射，荧光量子产率(QY)为7.26% (图1 b, c)。更值得注意的是，当暴露在近红外(808 nm)光下时，DNase-AuNCs表现出深红色荧光(670 nm)(图1d)。此外，由于具有很强的荧光，DNase-AuNCs可以作为单光子和双光子LSCM用于革兰氏阳性(如金黄色葡萄球菌)或革兰氏阴性(如大肠杆菌)细菌成像的探针(图1e)。

要点二：

近红外激光(如808 nm)是常用的光疗光源。与紫外光或可见光相比，近红外激光具有更强的组织穿透能力，而生物组织对近红外的吸收和散射能力较低。DNase-AuNCs对标准细菌染色及其相应的临床MDR分离株显示了强大的光治疗效果(808 nm激光，2 W/cm 2, 10分钟)，而杀菌效果取决于DNase-AuNCs的浓度(图2 a, b)。作者将DNase-AuNCs添加到一片玻璃片上，并将它们暴露在808 nm激光(2w /cm²,1分钟)下。正如所料，DNase-AuNCs在近红外激光照射下呈现明显的红外热成像，且呈浓度依赖性(图2c)。为了检测光热特性，将DNase-AuNCs与不同浓度的细菌(0、50、100、200、 400和800 μg/mL)，并在808 nm激光(2w / cm²)下照射10分钟(图2d)。光照后，各种混合溶液的温度由20升高到24.1、32.0、39.3、45.6、54.1、65.3℃(图2d)。作者绘制了混合物的温度作为DNase-AuNCs浓度的函数，这表明加热效果取决于团簇的浓度(图2e)。当浓度为800 μg/mL时，辐照10 min后，DNase-AuNCs的温度达到65.3℃(图2f)。因此，DNase-AuNCs是一种很好的PTT光热剂。

要点三：

作者探索了DNase-AuNCs在正畸设备(如Invisalign对准器)生物膜分散中的应用。越来越多的人使用正畸设备，以调整他们的牙齿，无论是审美或医疗目的。然而，口腔内的温度和湿度为细菌在设备上形成生物膜提供了最佳的生长条件，导致口腔感染甚至菌斑的形成。作者尝试使用DNase-AuNCs去除最常用的正畸器械之一Invisalign对准器上的生物膜，从口腔中分离出500多种金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌。因此,作者选择MDR金黄色葡萄球菌和MDR铜绿假单胞菌为模型细菌，分别为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。整个Invisalign对齐器(最大长度、宽度和高度约为6厘米、5厘米和1厘米，酶解(20 ~ 30%)生物膜分散部分(图3a)。相比之下，对照组、NIR组和BSA-AuNCs组的生物量减少可忽略不计(图3a)。用结晶紫染色观察生物膜在对准器上的变化。从三个不同角度拍摄的照片显示，对照组、NIR组和BSA-AuNCs组显示了耐多药金黄色葡萄球菌或耐多药铜绿假单胞菌污染的生物膜完整(图5b−c)。DNase，以及DNase-AuNCs，可以分解DNA在生物膜中并去除部分生物膜，生物膜的复杂组成影响其去除生物膜的效果，生物膜的复杂组成影响其去除生物膜的效果。相比之下，经过DNase-AuNCs 加 NIR处理后，尽管MDR P. aeruginosa污染样品上存在青色色素，整个Invisalign对齐器的紫色显著褪色(图3b – c)。SEM成像进一步支持了上述结果。与对照组相比,它有着大量的细菌生物膜封装,对准器的原始茂密的生物膜分散与DNase或DNase-AuNCs孵化后,对准器被DNase-AuNCs孵化和近红外光谱辐照只显示少量的非聚合自由细菌(图3 b−c)。

图1：(a) DNase-AuNCs的高分辨率透射电镜图。(b) DNase-AuNCsc的物理特性。(c) DNase-AuNCs的荧光激发和发射光谱。(d) 808 nm激发的DNase-AuNCs荧光光谱。(e) 细菌的亮视野和荧光图像。

图2: (a)不同浓度的DNase-AuNCs光治疗后敏感染色菌的细菌活性。(b) 不同浓度的DNase-AuNCs光治疗后MDR菌株(MDR大肠杆菌、MDR铜绿假单胞菌、MDR金黄色葡萄球菌和MDR表皮葡萄球菌)的细菌活性。(c) 不同浓度的DNase-AuNCs的红外热像图。(d) DNase-AuNCs诱导的细菌混合物溶液暴露于一个808 nm激光(2 W/cm², 10分钟)。(e) 600秒内温度变化(ΔT)与DNase-AuNCs浓度的关系图。(f) NIR激光(808 nm, 2 W/ cm²)辐照下，800 μg/mL DNase-AuNCs诱导细菌混合液温度升高。(g) 加入DPBF探针对100 μg/mL的DNase-AuNCs和细菌混合液在不同照射时间下的吸光度降低率。(h) 荧光强度，表示细菌暴露于808 nm激光后的单次氧生成量。(i) 不同光治疗(PDT或PTT)组的相对细菌活力测定。

图3：(a) 直方图显示不同材料处理后Invisalign固定器生物膜生物量的减少。(b) 经不同处理后，MDR金黄色葡萄球菌在Invisalign对准器上形成生物膜，晶体紫染色，扫描电镜成像。(c) 经过不同处理后，铜绿假单胞菌在Invisalign对准器上形成生物膜，用结晶紫染色，并用扫描电镜(SEM)成像。

参考文献

Y. Xie, W. Zheng, X. Jiang, Near-Infrared Light-Activated Phototherapy by Gold Nanoclusters for Dispersing Biofilms, ACS Applied Materials Interfaces, 2020, 12, 9041-9049.