中国科学院深圳先进技术研究院王怀雨《Advanced Materials》:声敏纳米苍耳实现NO介导的H2O2滞留抗菌疗法

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生物膜感染因对传统治疗的固有抗性，已成为临床一大难题。近日，香港城市大学、中科院深圳先进技术研究院等团队在《Advanced Materials》发表重磅研究，提出“弃车保帅”的创新策略 —— 通过声敏纳米苍耳（G-B@NXs）释放牺牲性一氧化氮（NO），抑制H₂O₂清除系统并补充H₂O₂生成，最终高效清除生物膜，为植入物相关感染、皮肤软组织感染等治疗提供新方向！

要点分析

一、研究背景：生物膜感染的“顽固”根源

细菌生物膜是80% 细菌感染的元凶，可定植于组织、伤口及植入器械表面，形成由胞外聚合物（EPS）包裹的三维结构。传统消毒剂如H₂O₂虽能产生活性极强的羟基自由基（∙OH）杀灭浮游细菌，但面对生物膜时却“束手无策”：

1. 生物膜内细菌会分泌过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽（GSH），快速降解H₂O₂，阻止∙OH 生成；

2.EPS 屏障阻碍H₂O₂渗透，内部细菌可启动适应性防御；

3.过量H₂O₂可能损伤正常组织，限制其临床应用。

因此，如何抑制H₂O₂清除系统、延长其滞留时间并精准发挥作用，成为突破生物膜感染的关键。

二、核心设计：多功能声敏纳米苍耳G-B@NXs

研究团队开发了一种仿生多功能纳米颗粒G-B@NXs，其设计巧思堪称 “精准打击”：

载体结构：以中空介孔二氧化硅制备纳米苍耳（NXs），仿生苍耳的棘刺结构可牢牢锚定在生物膜 EPS 网络上，提高局部富集度；

核心功能分子：

1.空腔内负载 NO 供体 BNN6，需超声（US）触发才释放 NO，实现 “按需激活”；

2.表面嫁接葡萄糖氧化酶（GOD），可催化葡萄糖生成H₂O₂，持续补充“弹药”。

图1.建立按需保留H₂O₂的抗生物膜策略。(A)在空腔中含有NO供体，表面含有H₂O₂产生体的G-B@NXs的制备。(B)使用G-B@NXs处理生物膜示意图。G-B@NXs锚定在生物膜上并产生H2O2。在US照射下，G-B@NXs释放NO与周围的过氧化氢酶和谷胱甘肽反应，从而通过抑制清除剂引起H₂O₂积累。同时，US处理破坏了EPS网络，增加了生物膜对H₂O₂的敏感性，最终导致生物膜被有效清除。

三、关键机制：NO“牺牲”换H₂O₂滞留，三重协同杀菌

这一策略的核心在于牺牲性NO的巧妙运用，其作用机制已通过实验与理论计算双重验证：

1.NO优先占据CAT活性中心：DFT 计算显示，NO与CAT中血红素Fe³⁺的结合自由能远低于H₂O₂，可通过亚硝基化抑制CAT活性，阻止H₂O₂降解；

2.NO灭活GSH：NO与GSH发生S-亚硝基化反应生成GSNO，阻断谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）介导的H₂O₂还原通路；

3.超声的双重作用：既触发NO精准释放，又机械破坏EPS屏障，暴露内部细菌，提升其对∙OH的敏感性。

三者协同实现“H₂O₂滞留-∙OH爆发-生物膜瓦解”的闭环，最终对细菌形成致命氧化应激。

图3.NO对H₂O₂清除剂的抑制作用。

四、实验验证：体内外均展现高效抗菌活性

1. 材料表征与功能验证（图2）

G-B@NXs尺寸约264nm，具有良好的分散性和介孔结构；

1mgNXs可负载0.4 mg BNN6，GOD嫁接率达 26% 以上；

超声触发下NO释放浓度达15µM，且具有良好的组织穿透性（6-12 mm 猪组织屏障下仍有效）；

GOD 可持续催化葡萄糖生成H₂O₂，10 min 达峰后稳定滞留。

图2.NXs, B@NXs和G-B@NXs的表征

2. 体外抗菌：97.2%生物膜灭菌率

对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）生物膜的体外实验显示（图 4）：

G-B@NXs+US组实现高效杀菌，对 E. coli 生物膜灭菌率达97.2%，S. aureus 达95.9%；

结晶紫染色与荧光成像证实，生物膜结构被彻底破坏，残留细菌多为死菌；

流式细胞术显示，两组生物膜的PI阳性率均达主导水平，证实杀菌效果。

图4.超声辐照对不同纳米粒体外抗生物膜性能的影响

3. 体内实验：有效治疗植入性感染与皮肤软组织感染

（1）大鼠植入性感染模型（图 7）

G-B@NXs+US组植入部位炎症显著减轻，中性粒细胞浸润面积大幅下降；

炎症因子TNF-α、IL-6 水平显著降低，血液中白细胞、中性粒细胞计数恢复正常；

生物膜灭菌率达95.71%，且主要器官无明显损伤，生物安全性良好。

图7.使用大鼠模型进行植入物相关感染的体内抗菌膜活性评估

（2）小鼠皮肤软组织感染（SSTI）模型（图8）

治疗后12天，G-B@NXs+US组皮肤溃疡完全愈合，新生表皮完整；

Giemsa染色显示感染部位细菌几乎被清除，炎症细胞浸润消失；

抗炎巨噬细胞标志物CD206占主导，促进组织修复。

图8.使用SSTI小鼠模型进行体内抗生素膜性能评估。

五、研究意义与展望

该研究提出的“牺牲性NO介导H₂O₂滞留”策略，为生物膜感染治疗提供了全新思路：

1.首次将NO 用于抑制H₂O₂清除系统，实现“1+1>2”的协同杀菌效果；

2.G-B@NXs 的仿生锚定设计、超声按需激活特性，解决了药物富集与精准释放的难题；

3.体内外实验证实对植入性相关感染、皮肤软组织感染均有效，未来有望拓展至糖尿病相关感染等场景。

未来研究可进一步优化H₂O₂生成、滞留及∙OH转化效率，探索CO、H₂S等其他气体分子的协同作用，或结合蓝光触发等方式，进一步提升治疗效果。