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PB@PDA@Ag納米系統(tǒng)聯(lián)合激光治療MRSA促進(jìn)糖尿病患者創(chuàng)面愈合

 

常規(guī)的抗生素是治療細(xì)菌感染*泛的手段,然而多重耐藥性(MDR)正成為細(xì)菌感染臨床治療中的巨大挑戰(zhàn),特別是對于慢性不愈合傷口感染而言,這增加了患者的發(fā)病率和死亡率。近年來,具有小尺寸和高比表面積的納米材料被廣泛用于抗細(xì)菌感染方面。由于納米材料的抗菌機(jī)制與傳統(tǒng)抗生素不同,導(dǎo)致細(xì)菌耐藥的可能性較小,可作為抗生素的替代品。銀納米顆粒(AgNPs)具有突出的廣譜抗菌性能和顯著的抑菌效果,但AgNPs和釋放的Ag+在高濃度下均表現(xiàn)出嚴(yán)重的細(xì)胞毒性;同時(shí),AgNPs極易團(tuán)聚會顯著降低其抗菌效率,從而阻礙其實(shí)際應(yīng)用。為了解決這些問題,構(gòu)建具有良好分散能力的抗菌雜化材料成為一種新的發(fā)展趨勢

光熱治療(PTT)具有空間分辨率高、微創(chuàng)、組織穿透力強(qiáng)等優(yōu)勢,由于其*的抗菌機(jī)制,產(chǎn)生耐藥性的可能性較小。因此,抗菌劑與近紅外激光(NIR)聯(lián)合使用可能是一種更有前途的策略,可以彌補(bǔ)PTT的局限性,提高殺菌性能。到目前為止,已有多種具有光熱效應(yīng)的金屬材料用于細(xì)菌殺滅和傷口愈合研究,其中,普魯士藍(lán)(PBNPs)具有在NIR吸收能力強(qiáng)、光熱轉(zhuǎn)換性能高、穩(wěn)定性好、生物相容性好、生物安全性高、成本低等突出優(yōu)勢。此外PBNPs也可直接錨定AgNPs,從而有效避免AgNPs的聚集并控制Ag+的釋放

湖南大學(xué)生物學(xué)院劉斌副教授課題組構(gòu)建了一種多功能的納米抗菌復(fù)合物PB@PDA@Ag用于治療耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)感染。聚多巴胺(PDA)被涂覆在PBNPs表面,通過化學(xué)反應(yīng)形成PB@PDA NPs;然后通過原位還原在PDA表面直接合成AgNPs,形成PB@PDA@Ag。在此過程中,PDA作為還原劑和穩(wěn)定劑。此外,PDA具有良好的光熱效應(yīng),可提高其抗菌活性和生物相容性。在這項(xiàng)研究中,作者通過PB@PDA@Ag的抗菌特性和NIR照射下的光熱效應(yīng),證明了這種納米平臺在體外*多藥耐藥細(xì)菌的能力。更重要的是,該聯(lián)合策略對MRSA感染的糖尿病創(chuàng)面具有顯著的治療效果。

 

 

基本信息

 

題目:

PB@PDA@Ag nanosystem for synergistically eradicating MRSA and accelerating diabetic wound healing assisted with laser irradiation

期刊:Biomaterials

影響因子:10.317

PMID:32171103 

通訊作者:王煒教授和劉斌副教授為并列通訊作者

作者單位:湖南大學(xué);湖南中醫(yī)藥大學(xué);湖南師范大學(xué)

索萊寶合作產(chǎn)品:

產(chǎn)品名稱

產(chǎn)品貨號

Dopamine Hydrochloride

鹽酸多巴胺

ID0370

 

摘 要

圖片

多重耐藥性細(xì)菌感染和慢性創(chuàng)面愈合正成為臨床治療中的巨大挑戰(zhàn),迫切需要開發(fā)新型抗菌材料和治療策略,尤其對于患有MDR感染的糖尿病患者。在這項(xiàng)工作中,命名為PB@PDA@Ag的納米復(fù)合物被用于在NIR照射下協(xié)同*多藥耐藥細(xì)菌和加速耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)感染的糖尿病創(chuàng)傷模型的傷口愈合。體外研究顯示:與單獨(dú)的PB@PDA@Ag或NIR激光照射相比,這種聯(lián)合抗菌策略通過破壞細(xì)胞完整性、產(chǎn)生ROS、降低ATP、氧化GSH等途徑發(fā)揮協(xié)同抗多藥耐藥菌MRSA作用;體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明:該策略通過減輕局部炎癥反應(yīng)和誘導(dǎo)創(chuàng)面血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)表達(dá)來促進(jìn)MRSA感染的糖尿病創(chuàng)面愈合。同時(shí),該P(yáng)B@PDA@Ag具有良好的生物相容性,基本不會對重要器官造成額外的損害。綜上所述,PB@PDA@Ag和NIR聯(lián)合抗菌策略在臨床感染領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

 

研究內(nèi)容及結(jié)果

1、PB@PDA@Ag的構(gòu)建與表征

按照方案一將PB置于最里層,PDA包裹PB后充當(dāng)納米Ag的載體構(gòu)建PB@PDA@Ag。TEM結(jié)果表明:PB NP平均尺寸約為88 nm,PB@PDA的平均尺寸約為104 nm,表明PDA涂層的平均厚度約為8 nm(圖1A-B);AgNPs在PB@PDA表面上呈均勻分布(圖1C)。PB NPs的zeta電位隨著PDA的包裹而降低,AgNPs(Ag+)的加入導(dǎo)致PB@PDA的zeta電位從-17mV增加到-12mV(圖1D)。XRD表明:與PB@PDA相比,特征衍射峰存在于38.3°,對應(yīng)于金屬Ag的(111)面(圖1E)。拉曼光譜檢測顯示(圖1F):PB NP的拉曼峰位于2154 cm-1;PB@PDA和PB@PDA@Ag的拉曼峰在1402 cm-1和1578 cm-1處。XPS表明:由于PDA層的存在,PB@PDA和PB@PDA@Ag未觀察到明顯的Fe 2p峰(圖1G)。紫外可見吸收光譜檢測顯示(圖1H):PB NPs在720 nm附近有強(qiáng)吸收峰;PB@PDA的吸光度峰移至710 nm;PB@PDA@Ag在440 nm附近有明顯吸收峰。FT-IR檢測顯示(圖1I):PB NPs在2080 cm−1有特征峰;加入PDA后,在約3420 cm−1處出現(xiàn)了一個(gè)較寬較強(qiáng)的譜帶。以上結(jié)果表明PB@PDA@Ag的構(gòu)建成功。

圖1

2、PB@PDA@Ag具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異的光穩(wěn)定性

為了證明PB@PDA@Ag NPs作為PTT的光熱劑的能力,系統(tǒng)地比較了不同納米材料在NIR下的光熱效應(yīng)。結(jié)果表明:在808 nm NIR照射8 min后,PB、PB@PDA及PB@PDA@Ag的溫度升高分別為31.9℃、33.2℃和30.9℃,而純水的溫度僅升高1.7℃(圖2A);實(shí)時(shí)光熱圖像直接顯示了它們的光熱效應(yīng)(圖2B)。PB@PDA@Ag具有激光密度依賴性和濃度依賴性的光熱轉(zhuǎn)換(圖2C-D)。PB@PDA@Ag的光熱轉(zhuǎn)換效率為30.35%(圖2E)。在1 W/cm2的激光照射5個(gè)循環(huán)后,PB@PDA@Ag吸收沒有降低,并維持恒定的光熱轉(zhuǎn)換效率,表現(xiàn)出較高的光穩(wěn)定性(圖2F)。因此,PB@PDA@Ag是一種很有前途的PTT試劑。

圖2

3、PB@PDA@Ag+NIR具有更強(qiáng)的體外抗菌活性

采用瓊脂擴(kuò)散法和NIR評價(jià)不同納米材料的抗菌能力。相對于其他實(shí)驗(yàn)組,PB@PDA@Ag處理組所有受試菌的抑菌圈都清晰可見(圖3A);金黃色葡萄球菌、MRSA、大腸桿菌和AmprE的抑菌圈直徑分別約為14毫米、14毫米、16毫米和21毫米(圖3B);表明PB@PDA@Ag對革蘭氏陰性菌E.coli和AmprE.coli的抑制作用更強(qiáng)(圖3C)。PB+NIR處理組MRSA和AmprE.coli存活率分別為33.0%和25.8%;PB@PDA@Ag處理組的存活率分別為33.3%和25.4%(圖3D-E);PB@PDA@Ag+NIR處理組中,分別約99.77% MRSA和99.99% AmprE被殺死(圖3F-I)。

圖3

通過Calcein-AM/PI實(shí)驗(yàn)分析不同處理組細(xì)菌的膜完整性。生理鹽水、NIR、PB和PB@PDA處理組中僅觀察到強(qiáng)烈的綠色熒光;PB+NIR、PB@PDA+NIR和PB@PDA@Ag處理組同時(shí)觀察到綠色和紅色熒光;PB@PDA@Ag+NIR處理組觀察到強(qiáng)烈的紅色熒光和極弱的綠色熒光(圖4A)。使用ImageJ軟件定量分析表明:與其他組相比,PB@PDA@Ag+NIR的抗菌功效最高(圖4B)。SEM圖像表明在用生理鹽水、NIR、PB或PB@PDA處理后,MRSA具有完整且光滑的表面;PB+NIR、PB@PDA+NIR或PB@PDA@Ag處理后,細(xì)胞表面出現(xiàn)明顯的下垂和收縮(紅色箭頭所示)等破壞;而用PB@PDA@Ag+NIR處理后,細(xì)菌的結(jié)構(gòu)*被破壞(圖4C)。

圖4

4、PB@PDA@Ag的抗菌機(jī)理

監(jiān)測ROS水平,發(fā)現(xiàn)相較于其他處理組,PB@PDA@Ag+NIR處理組的ROS水平顯著上調(diào)(圖5A-B)。Ellman測定表明,PB@PDA@Ag和PB@PDA@Ag+NIR的GSH氧化水平分別高達(dá)45.8%和58.7%(圖5C)。檢測細(xì)菌內(nèi)ATP水平的變化發(fā)現(xiàn):PB+NIR、PB@PDA+NIR、PB@PDA@Ag和PB@PDA@Ag+NIR處理組分別導(dǎo)致細(xì)菌ATP水平下降約47.8%、53.1%、77.8%和96.7%(圖5D)。這些結(jié)果表明:PB@PDA@Ag+NIR的抗菌作用是通過誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生、氧化GSH和降低ATP等途徑進(jìn)行的。同時(shí),與對照組相比,PB@PDA@Ag+NIR處理的細(xì)菌蛋白質(zhì)滲漏增加了1.9倍(圖5E),表明PB@PDA@Ag+NIR對細(xì)菌細(xì)胞膜造成了嚴(yán)重破壞。

圖5

5、PB@PDA@Ag+NIR對MRSA生物膜損傷最大

持續(xù)性細(xì)菌感染與生物膜的形成密切相關(guān),生物膜可以抑制抗生素的滲透,逃避宿主吞噬細(xì)胞的先天免疫攻擊。作者檢測了不同處理對MRSA形成的生物膜的影響(圖6A-C):與對照組相比,單獨(dú)的NIR、PB和PB@PDA處理對MRSA生物膜的影響可以忽略不計(jì);PB@PDA@Ag、PB+NIR和PB@PDA+NIR處理后,可以去除約51%~52%生物膜;PB@PDA@Ag+NIR處理后,可去除約76%生物膜。

圖6

6、PB@PDA@Ag+NIR對體內(nèi)傷口的愈合效果好

將MRSA感染傷口的雌性Balb/c小鼠隨機(jī)分為八組(圖7A),NIR照射5分鐘后,用PB、PB@PDA或PB@PDA@Ag處理的傷口區(qū)域的溫度增加到約53°C;PBS+NIR處理的傷口區(qū)域僅升高1.2°C(圖7B)。圖7C為在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行各種處理的傷口閉合的代表性照片。治療8天后,PBS、NIR、PB、PB+NIR、PB@PDA、PB@PDA+NIR、PB@PDA@Ag和PB@PDA@Ag+NIR組感染創(chuàng)面面積分別減少至58.79%、59.24%、56.81%、47.90%、51.46%、41.77%、41.88%和22.79%(圖7D)。此外,在所有組中均未觀察到體重的顯著波動(圖7E),表明這些測試的納米材料對小鼠具有良好的生物安全性。

通過H&E染色進(jìn)行炎癥分析,相較于其他實(shí)驗(yàn)組,PB@PDA@Ag+NIR處理后,傷口上的炎癥細(xì)胞數(shù)量顯著減少。此外,在PB@PDA@Ag+NIR組中可以清楚地觀察到完整的表皮層(由紅色箭頭表示);對于其他組,不完整的表皮層伴有明顯的組織損傷(圖7F)。

圖7

7、PB@PDA@Ag+NIR有效促進(jìn)體內(nèi)MRSA感染的糖尿病傷口愈合

通過MKR轉(zhuǎn)基因糖尿病小鼠模擬臨床傷口模型,對MRSA感染的糖尿病傷口模型的體內(nèi)抗感染功效進(jìn)行評估(圖8A)。不同給藥方式處理后,在第12天,PB@PDA@Ag+NIR處理組的創(chuàng)面幾乎*愈合(圖8B-C)。與空白對照組相比,PB@PDA@Ag+NIR給藥組小鼠的體重變化可以忽略不計(jì)(圖8D),這證實(shí)了PB@PDA@Ag+NIR對小鼠的低毒性。通過比較感染區(qū)域的細(xì)菌CFU顯示,PB@PDA@Ag+NIR的殺菌效果最高(圖8E-F)。免疫熒光染色顯示,與其他組相比,PB@PDA@Ag+NIR處理組的感染創(chuàng)面VEGF表達(dá)水平最高(圖8G-H)。

綜上所述,我們推測PB@PDA@Ag+NIR促進(jìn)傷口慢性愈合的機(jī)制可能與以下原因有關(guān):(1)PB@PDA@Ag光熱效應(yīng)產(chǎn)生局部熱療,釋放Ag+,消除感染創(chuàng)面大部分細(xì)菌;(2)PB@PDA@Ag+NIR給藥后可顯著降低創(chuàng)面的炎癥反應(yīng);(3)VEGF顯著上調(diào)可增加創(chuàng)面組織中新生血管的形成。在新生血管的幫助下,促進(jìn)參與創(chuàng)面愈合的細(xì)胞代謝和增殖,促進(jìn)再上皮化,實(shí)現(xiàn)創(chuàng)面高效愈合。

圖8

8、生物安全性評估

對血清進(jìn)行腎功能和肝功能分析,未發(fā)現(xiàn)PB@PDA@Ag對機(jī)體有任何毒性(圖9A-B)。H&E染色顯示:PB@PDA@Ag+NIR治療期間未對各器官的正常解剖結(jié)構(gòu)造成損傷或毒性(圖9C)。這些結(jié)果證明了PB@PDA@Ag可以有效、安全的*MDR細(xì)菌引起的慢性傷口感染。

圖9

 

結(jié) 論

圖片

本研究中,作者創(chuàng)造性的將AgNPs加載到PAD修飾的PB NPs復(fù)合物表面,成功構(gòu)建了一種組合抗菌系統(tǒng)PB@PDA@Ag。體外實(shí)驗(yàn)表明,PB@PDA@Ag聯(lián)合NIR通過破壞細(xì)胞完整性、產(chǎn)生ROS、降低ATP和破壞細(xì)菌代謝,可以有效治療多藥耐藥病原體。MKR小鼠模型體內(nèi)研究表明:PB@PDA@Ag與NIR激光照射聯(lián)合治療后,通過減輕創(chuàng)面炎癥反應(yīng)和誘導(dǎo)VEGF表達(dá)來促進(jìn)MRSA感染的糖尿病創(chuàng)面愈合,對體內(nèi)無明顯毒性。綜上所述,本研究提供了一種有效的抗菌治療策略,在治療慢性感染性傷口方面顯示了巨大的潛力。

 

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