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生物被膜是造成細菌性骨髓炎持續感染的重要原因。生物膜基質的物理屏障及其內部細菌種群的適應性應激反應嚴重削弱了抗生素療效。受細菌感染和免疫調控，中性粒細胞過度分泌H2O2，嚴重損傷正常組織。納米催化材料響應病理微環境特徵，將固有/遞送的物質轉化為治療性物質，用於降解生物被膜基質。然而預先存在病理環境限制其主動性。 因此，構建一種內外源雙重調控納米材料在治療深層組織感染領域十分重要。



南開大學化學學院張新歌教授、朱寶林副教授聯合山東省立醫院毋中明教授在《Advanced Materials》期刊發表了題為「Guanidinium-Decorated Nanostructure for Precision Sonodynamic-Catalytic Therapy of MRSA-Infected Osteomyelitis」的文章（DOI: 10.1002/adma.202206646）。針對深層組織感染，該課題組通過簡單和可控的化學方法構建聚胍鹽修飾的鈦酸鹽納米管結構，用於MRSA感染骨髓炎的遠程控制治療。與傳統的無機聲敏劑TiO2相比，這種高效納米結構具有以下優點: i)它具有較窄的帶隙(2.74 eV)和中空結構，具有高效的聲動力效果; ii)它可以作為過氧化物酶樣納米酶，在免疫細胞分泌的內源性H2O2存在的情況下，產生有毒的·OH進行催化治療; iii)它具有良好的細菌錨固性和生物膜基質穿透性，誘導「生物膜內瓦解」。在超聲刺激下，協同聲動力催化療法產生大量活性氧，有效地殺死病原體和破壞生物膜。結合良好的生物相容性，這項工作闡明了聲動力-催化納米複合材料的發展，為根除深層組織生物膜感染提供思路。

a.b) DPBF檢測聲動力激發的1O2。c)5次循環聲動力效果。d) pH 5.5溶液中不同濃度H2O2下的過氧化物酶樣性能。e) pH 5.5下，類過氧化物酶的穩態動力學測定。插圖:Lineweaver-Burk。f) ESR檢測1O2·OH。 g-h)超聲增強的聲動力-催化性能。i)聲動力活性增強機理示意圖。

體外消除MRSA及組織穿透性能研究。a)活/死細菌染色試驗。b-d) 平板計數法統計剩餘菌落數。e-g)模擬穿透組織的熱效果以及殺菌性能

a)強化生物膜根除機制示意圖。b)熒光標記材料穿透生物膜基質。c) DCFH作為生物膜內ROS產生。d) Au/TNT@PG在不同濃度下在US上的生物膜根除。e)具有代表性的CLSM三維圖像。f)結晶紫染色評價生物膜量。

a)實驗設計和治療方案示意圖。b) 骨髓炎的影像學檢測。c) 14和28天，骨組織的H&E染色。d) 0、14、28天骨組織細菌負荷。e)治療28天後血常規檢查。f)大鼠在預定時間點的體重變化。

a)第28天骨組織iNOS和TGF-β免疫組化染色。b)促炎和抗炎細胞因子IL-1β、TNF-α、IL-4和IL-10的ELISA分析。c) Micro-CT圖像和d)治療28天後脛骨相關BV/TV值。e)治療4周後感染骨組織的馬松三色染色。
這項工作不僅為非抗生素治療骨髓炎開闢了一條新的途徑，而且為超聲波響應納米材料的生物醫學應用提供了一種新的模式。
論文第一作者為南開大學碩士研究生程義傑，論文通訊作者為南開大學化學學院張新歌教授、朱寶林副教授和山東省立醫院毋中明教授。南開大學化學學院為論文第一完成單位，該研究得到國家自然科學基金的資助支持。

作者簡介





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南開大學化學學院張新歌教授：博導，近年來主要從事專一性識別熒光功能材料、有機/無機雜化抗菌材料、生物響應性藥物控釋載體的設計、製備及其在重大感染性疾病中的應用研究。相關研究申請專利一項，出版專著1部(參編)，以第一作者或通訊作者在Adv. Mater., Biomaterials, Bioact. Mater., Chem. Eng. J., Chem. Sci., Chem. Mater., Chem. Commun., Control. Release, ACS Appl. Mater. Interfaces, Biomacromolecules, Acta Biomater.等國際期刊發表SCI論文100餘篇，被引用3,604次，h因子36。目前擔任「SRNMedicinal Chermisty」編委, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater, Adv. Funct. Mater, Small, Biomaterials, Biomacromolecules, Mol. Pharm., Nanomedicine, ACS Appl. Mater. Inter., J. Control. Release等國際知名期刊審稿人。

Cheng, Y., Zhang, Y., Zhao, Z., Li, G., Li, J., Li, A., Xue, Y., Zhu, B., Wu, Z. and Zhang, X. (2022), Guanidinium-Decorated Nanostructure for Precision Sonodynamic-Catalytic Therapy of MRSA-Infected Osteomyelitis. Adv. Mater. 2206646.https://doi.org/10.1002/adma.202206646

原文鏈接

https://doi.org/10.1002/adma.202206646

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