第一作者：Luntao Liu
通讯作者：宋继彬
通讯单位：北京化工大学
研究速览：
近期，北京化工大学宋继彬教授及其团队在 Nano Letters 上发表了用于精确治疗多重耐药细菌感染的无药物抗菌纳米马达的研究工作。制造具有特定理化特性和紧密可控设计的异质纳米结构是非常有吸引力的。在此，作者报道了NIR-II光驱动双等离子体（AuNR-SiO2-Cu7S4）抗菌纳米马达，通过在Au纳米棒（Au NRs）的过度生长，具有预期的Janus结构。这些纳米马达被应用于光声成像（PAI）引导下的协同光热和光催化治疗细菌感染。由于Au NRs与Cu7S4组分之间的强等离子体耦合和增强的能量转移，纳米马达的光热性能和光催化活性都得到了显著的提高。纳米马达的运动行为促进透皮穿透，增强物质−细菌的相互作用。更重要的是，NIR-II光可以同步驱动纳米马达的定向导航和协同抗菌活性。在脓肿感染小鼠模型中，主动运动和增强的抗菌活性的结合产生了预期的良好抗菌效果。
要点分析：
要点一：增强的物质-细菌间相互作用。 作者开发的1064 nm光驱动双等离子体AuNR-SiO2-Cu7S4抗菌纳米马达，通过在Au NRs的一个高曲率位点上的富铜Cu7S4纳米晶体的过度生长，具有预期的Janus结构。这种不对称的纳米马达结构允许定向运动，从而增强了物质−细菌的相互作用。
要点二：优异的NIR-II光声成像功能。 这些纳米马达显示出强大的NIR-II光声成像（PAI）信号，因为它们在NIR-II窗口有很强的光吸收。PAI可用于实时指导细菌感染的治疗。这项工作突出了NIR-II光触发同步快速自主导航和增强光热性能和光催化活性氧（ROS）生成活动，这主要是由于局部增强电磁场和有效的电荷接近AuCu7S4异质结的界面分离以及Au到Cu7S4组件的热电子注入。
图文摘要
图文导读
图1. 抗菌纳米马达的设计与应用。(a)AuNR-SiO2-Cu7S4纳米马达的Janus结构示意图，以及它们在1064 nm光照射后的等离子体增强光催化和自热电泳行为。(b)NIR-II光触发同步自主运动和协同光热/光催化抗菌细菌的纳米运动，以增强透皮渗透，有效治疗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染。
图2. AuNR-SiO2-Cu7S4纳米马达的合成与表征。FNA-Ag@Pt纳米酶合成优化。(a) AuNR-SiO2-Cu7S4纳米马达的合成示意图。(b)透射电镜图像显示了纳米电机的制造过程。(c)SEM，(d)高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和纳米电机的元素映射图像。(i) Au NRs, (ii) AuNR-SiO2 NPs、(iii) AuNR-SiO2-Cu2O NPs, 和 (iv) AuNR-SiO2-Cu7S4 纳米电机的Zeta电位。(f) Cu2O NPs和Cu7S4 NPs的XRD图像。(g) 不同样品的UV−vis−NIR的吸收光谱。
图3. AuNR-SiO2-Cu7S4纳米电机的体外和体内自主导航行为。(a)自热泳的示意图驱动的运动示意图。采用1064 nm激光驱动的暗场倒置光学显微镜，功率密度为0.75W·cm−2，超过8 s（n = 8），测量不同样品的(b)粒子轨迹和(c)运动速度。(d) 由一个中间通道和两个腔室制成的微流控芯片装置的示意图。(e) 由NIR-II光驱动的微流控芯片中装载FITC的纳米马达的运动行为的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像，以及(f)微流控芯片中不同位置的纳米马达的平均荧光强度和(g)平均速度。L、M、R分别为左、中、右三个位置。在接受不同治疗（1064 nm光，0.75W·cm−2,5 min）的小鼠皮肤脓肿部位的 (h)热图像和(i)相应的温度变化：（i）PBS，（ii）AuNRSiO2，（iii）AuNR-SiO2-Cu2O，和（iv）AuNR-SiO2-Cu7S4组。(j) 在NIR-II光的驱动下，在脓肿感染小鼠模型中，纳米发动机的透皮渗透能力增强的示意图。(k)PAI、USI和合并图像，以及(l)接受不同治疗（1064 nm光，0.75 W·cm−2,5 min）的小鼠脓肿部位PA强度与皮肤横截面穿透深度的曲线。
图4. 增强了AuNR-SiO2-Cu7S4纳米电机的抗菌性能。(a) 在NIR-II光的照射下，纳米电机的光热性能机制示意图。(b) 在1064 nm光照射下5 min（0.75W·cm−2），AuNR-SiO2 NPs-Cu2O NPs和AuNR-SiO2-Cu7S4纳米马达的PBS溶液和悬浮液的热图像。三种样品的AuNRs的摩尔质量均相同。(c)纳米马达的等离子体增强光催化作用示意图。(d, e)不同处理的(d)•OH和(e)1O2的ESR图谱。(f, g)(f)MB和(g)ABDA在暴露于1064 nm的光(0.75 W˙cm-2 )照射下检测到的ROS生成情况。(h)MRSA的抗菌效率，(i)MRSA的活体/死体染*图色**像，(j)不同处理后SEM观察到的细菌形态。
图5. AuNR-SiO2-Cu7S4纳米电机在治疗MRSA感染中的潜在应用。(a) NIR-II光照射下不同治疗下感染皮肤脓肿模型小鼠的照片。虚线圈表示MRSA感染的皮肤脓肿部位。(b)不同处理后第14天，MRSA感染部位的细菌菌落图像和(c)抗菌效率。(d)苏木精和伊红（MRSA感染小鼠皮肤组织的H&E）和Masson染*图色**像。(e)不同治疗后小鼠的白细胞、淋巴细胞和中性粒细胞的变化。
结论
综上所述，作者开发了一种Janus双质子抗菌AuNR-SiO2-Cu7S4纳米马达，它具有NIR-II光触发的快速定向运动和增强的光热和光催化性能，用于PAI引导的深层耐药细菌感染的主动治疗。由于其典型的非中心对称结构和增强的光热性能，该纳米马达在低功率的NIR-II激光驱动下具有高达约9.8 μm/s的快速运动速度。这种快速运动行为有效地促进了透皮穿透，并促进了物质与细菌的相互作用。此外，在NIR-II光照射下，纳米马达的结构显著促进了等离子体能量从Au NRs向Cu7S4纳米晶体的转移，既促进了光热转化，提高了光催化活性。基于上述原因，抗菌纳米马达在体外对MRSA表现出良好的杀菌活性，抗菌效率为98.3%。此外，在治疗MRSA感染的皮肤脓肿中，体内的抗菌效率高达97.8%。因此，我们认为这些Janus质子纳米载体是有前途的活性抗菌剂，可用于治疗根深蒂固的细菌感染。
全文链接： https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00632
参考文献： Luntao Liu, Shuqin Li, Kaiqiong Yang,Zhongxiang Chen, Qingqing Li, Liting Zheng, Zongsheng Wu, Xuan Zhang, Licaho Su,Ying Wu, andJibin Song*. Drug-Free Antimicrobial Nanomotor for Precise Treatment of Multidrug-Resistant Bacterial Infections. 2023, doi: 10.1021/acs.nanolett.3c00632.