【科研快报】提供的超分子材料用于辐照后感染伤口治疗

第一作者：杜沛东, Yanzhe Shen通讯作者：俞丙然，王振刚，徐福建通讯单位：北京化工大学 研究速览 近期，北京化工大学的俞丙然、王振刚、徐福建团队在Advanced Science上发表了有关提供H2O2的超分子材料用于辐照后感染伤口治疗的研究工作。
光动力疗法（PDT）是一种通过产生活性氧（ROS）的光触发疗法，但传统的PDT可能会遭受实时照明，从而降低治疗的依从性，并引起光毒性。
作者报道了一种超分子光活性G-四方基材料，该材料由鸟苷(G)和4-甲酰基苯硼酸/1,8-二氨基辛烷自组装而成，将核黄素作为光催化剂结合到G4纳米线上，用于辐照后的光动力抗菌治疗。
具有类似水凝胶性质的G4材料为核黄素的负载提供了支架，并提供了还原剂鸟苷，用于光触发产生治疗性过氧化氢。
其光催化活性对室温储存和加热/冷却处理具有较好的耐受性。
含核黄素的G4水凝胶经光照射后，能够杀灭革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）、革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）和耐多药菌（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌），杀菌率超过99.999%。
辐照后的水凝胶在大鼠感染的伤口中也表现出良好的抗菌活性，揭示了这一新概念在光治疗中的潜力。
要点分析 要点一：敷料设计：合成了一种超分子光活性G-四方基材料，该材料由鸟苷(G)和4-甲酰基苯硼酸/1,8-二氨基辛烷自组装而成，将核黄素作为光催化剂结合到G4纳米线上，用于辐照后的光动力抗菌治疗。
具有类似水凝胶的性质的G4材料为核黄素的负载提供了支架，为核黄素提供了还原剂鸟苷，用于光触发产生治疗性过氧化氢。
要点二：杀菌机理：作者发现，负含核黄素的超分子材料能够杀死革兰氏阳性细菌（如金黄色葡萄球菌）、革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）和多药耐药细菌（如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、MRSA）。
照射后的治疗也可以避免由高能光对正常细胞的损伤所引起的光细胞毒性。
图文导读 图 1. 用于照射后抗菌治疗的核黄素负载超分子水凝胶的形成示意图。
图 2.A)核黄素介导的光氧化和过氧化氢生成的催化循环。
B)不同照射时间下核黄素介导的鸟苷光氧化产生的过氧化氢量。
（N = 3，数据以平均±标准差表示）。
[核黄素]：10×10−6m，[鸟苷]：200×10−6m，[HRP]：10×10−9m，[TMB]：0.3×10−3m，[PBS]：20×10−3m，pH 7.4。
C)不同核苷光氧化产生的过氧化氢量（N = 3，数据以平均±标准差表示）。
[核黄素]：10×10−6m，[核苷]：200×10−6m，[HRP]：10×10−9m，[TMB]：0.3×10−3m，[PBS]：20×10−3m，pH 7.4。
D)不同光敏剂介导的鸟苷光氧化产生的过氧化氢量（N = 3，数据显示为平均±标准差）。
[光敏剂]：10×10−6m，[鸟苷]：200×10−6m，[HRP]：10×10−9m，[TMB]：0.3×10−3m，[PBS]：20×10−3m，pH 7.4。
蓝光照射后的(E)鸟苷、(F)核黄素和(G)鸟苷/核黄素的ESI-MS光谱。
[核黄素]：50×10−6m，[鸟苷]：1×10−3m。
图 3. A)超分子G4样品由(i)鸟苷/4-FPBA/1、8-二氨基辛烷/氯化钾、（ii）鸟苷/1、8-二氨基辛烷/氯化钾、（iii）鸟苷/4-FPBA/1、8-二氨基辛烷、（iv）鸟苷/4-FPBA/氯化钾、以及(v)鸟苷/4-FPBA/1、8-二氨基辛烷/氯化钠自组装的图像。
B)核黄素负载超分子G4-含核黄素的样品：(i)0.5×10−3m，（ii）1×10−3m，（iii）2×10−3m，（iv）3×10−3m，(v) 4×10−3m。
(C-E)冻干粉末的扫描电镜图像：(C)G4-水凝胶，(D)核黄素负载的G4-水凝胶，(E)在10 min蓝光照射后核黄素负载的G4-水凝胶。
（F、G）冻干粉末的XRD光谱：(F)G4水凝胶；(G)核黄素负载的G4水凝胶。
插图分别为G4-水凝胶和核黄素负载的G4-水凝胶的SAXS光谱。
图 4. A)G4-水凝胶、B)未辐照核黄素负载的G4-水凝胶和(C)辐照后核黄素G4-水凝胶的流变曲线。
D)不同浓度核黄素后负载的G4-水凝胶产生的过氧化氢量（N = 3，数据显示为平均±标准差）。
[HRP]：10×10−9m，[TMB]：0.3×10−3m，[PBS]：20×10−3m，pH 7.4。
照射时间：10 min。
E)在不同辐照时间下，辐照后核黄素负载G4-水凝胶产生的过氧化氢量（N = 3，数据显示为平均±标准差）。
[HRP]：10×10−9m，[TMB]：0.3×10−3m，[PBS]：20×10−3m，pH 7.4。
F)经过循环加热/冷却处理后，由辐照后核黄素负载G4-水凝胶产生的过氧化氢归一化浓度（N = 3，数据显示为平均±标准差）。
[HRP]：10×10−9m，[TMB]：0.3×10−3m，[PBS]：20×10−3m，pH 7.4。
照射时间：10 min。
图 5. G4-水凝胶的体外辐照后抗菌作用。
A）金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和MRSA在用（1）PBS、（2）未辐照的G4-水凝胶、（3）未辐照核黄素负载的G4-水凝胶，（4）辐照后的G4-水凝胶和（5）辐照后核黄素负载G4-水凝胶培养后的细菌菌落图像。
B-D)(B)金黄色葡萄球菌、(C)大肠杆菌、(D) MRSA的菌落形成单位（CFU）。
E)有无过氧化氢酶处理（30 min）的辐照后核黄素负载G4-水凝胶的细菌活力。
F)不同相对浓度的核黄素装载G4-水凝胶/杜尔贝科改良鹰氏培养基（DMEM）下的细胞活力。
N≥3，数据以平均±标准差表示。
*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，和****p < 0.0001。
图 6. 在体内照射后的抗菌治疗。
A)大鼠背部伤口感染治疗示意图。
B)不同组大鼠在不同时间的创面图像。
C)48 h伤口组织稀释菌落图像(1)空白组；(2)对照组；(3)非辐照组；(4)辐照后组。
D)不同处理48 h后伤口组织匀浆稀释液的CFU值。
E)不同处理48 h后的革兰氏染色切片图像（黄色箭头指向MRSA）。
F-H)浓度：(F)IL-1β、(G)TNF-α、(H)48h后的IL-6。
N = 3，数据以平均±标准差表示。
*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001和****p < 0.0001。
结论 总之，作者提出了具有凝胶样性质的超分子核黄素G4材料，可用于感染伤口照射后抗菌治疗的概念验证。
1）G4-水凝胶用作敷料材料，可通过共价键合和芳香堆叠来支架核黄素，并为光激发核黄素的还原提供还原剂鸟苷，随后将O2还原生成H2O2。
2）辐照后水凝胶对体内外杀灭革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和多药耐药菌均具有较高的抗菌活性，具有生物安全性，无明显的细胞毒性。
3）与传统的需要实时照射的传统PDT不同，这项工作提出的放射后治疗依赖于过氧化氢，其寿命比高反应性∙OH或单线态氧等要长得多。
因此，不需要对患者进行光照，可以提高治疗的依从性。
同样值得注意的是，可能会在核黄素的光照射过程中会产生这些∙OH或单线态氧，但其不参与抗菌治疗，因为约有2分钟间隔的辐射后水凝胶被转移到老鼠的感染部位。
本文的发现可能为光动力疗法提供一个新的见解。
全文链接： 10.1002/advs.202206851参考文献：Peidong Du, Yanzhe Shen, Baoli Zhang, Shan Li, Minzheng Gao, Ting Wang, Xiaokang Ding, Bingran Yu, Zhen-Gang Wang, and Fu-Jian Xu. A H2O2-Supplied Supramolecular Material for Post-irradiated Infected Wound Treatment. Advanced Science 2023. DOI: 10.1002/advs.202206851.