具有酶催化性质的金属-有机框架纳米体系的构建及其抗菌机制研究

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致病性细菌感染已经成为严重威胁人类健康的因素之一,同时也对人民财产造成了巨大损失。目前,万古霉素等抗生素是对抗细菌感染的主要治疗方式之一。然而,由于抗生素的滥用导致细菌耐药性的出现,大大降低了抗生素对细菌的治疗效果。因此,如何实现对细菌的有效清除而又不引起耐药,是人类面对的重大挑战之一。金属-有机骨架(MOFs)具有结构多样、比表面积高、良好生物相容性等优点,在抗菌治疗领域展现出巨大前景。目前,基于MOFs的光动力疗法(PDT)和化学动力疗法(CDT)是通过活性氧自由基(ROS)对致病菌进行杀伤且不产生耐药性的典型手段。然而,PDT中特定波长的光源穿透性差无法到达细菌感染的深层组织,同时ROS的产生效率高度依赖于氧气(O2),而细菌感染微环境却处于缺氧状态,这些都大大限制了PDT的治疗效果。另外,在CDT用于抗菌治疗中,纳米酶的催化效率严重限制了抗菌效果。为了解决上述问题,本文一方面构建了自发光纳米反应器用于PDT抗菌治疗,另一方面构建了具有高效类过氧化物酶(POD)性质的二维铜-金属有机框架纳米片(2D MOF NSs)用于CDT抗菌治疗。主要研究内容如下:1、由于PDT中光源穿透深度有限以及ROS的生成严重依赖于O2,本论文通过溶剂热法制备了PCN-224 MOF纳米材料,然后通过在PCN-224内部负载鲁米诺(Luminol)外层包裹二氧化锰(Mn O2)和吸附葡萄糖氧化酶(GOx)合成了一种纳米抗菌反应器(PLMG)。它实现了PDT的光源自给自足并且缓解了因细菌感染微环境缺氧而导致PDT效率低的情况。GOx可以催化葡萄糖提供更多的过氧化氢(H2O2),而Mn O2催化H2O2生成更多的O2。PCN-224光敏剂经Luminol与H2O2反应产生的光源照射激活后与O2反应生成了ROS,实现PDT的高效杀菌。实验结果表明,在H2O2和葡萄糖的存在下,PLMG(16μg/m L)对金黄色葡萄球菌(S.aureus)具有99.98%的杀菌效果,并且对生物膜也有较好的杀伤效果。溶血实验和细胞毒性实验表明PLMG具有良好的生物相容性。本论文创新性设计合成的自发光纳米材料具有良好的抗菌潜力,解决了PDT中外源光源组织穿透性差的情况,为构建不依赖外源光和细菌感染微环境的新型纳米抗菌平台提供了可借鉴的思路。2、为了避免传统疗法对正常组织造成的损害以及解决CDT中酶活性低而无法达到理想杀菌效果的问题,本论文通过简单的一步法合成了2D Cu-MOF NSs作为抗菌治疗的纳米酶。2D Cu-MOF NSs具有POD的活性,Cu+与H2O2作用生成对细菌具有高毒性的羟基自由基(·OH)。同时,Cu-MOF NSs的二维形态提供了高密度的Cu2+/Cu+表面活性位点,通过氧化细菌表面的蛋白质和脂质诱导S.aureus死亡。此外,它既避免了传统疗法需要外界刺激产生ROS的局限性,又避免了对正常组织的损伤。实验结果表明,在4μg/m L的浓度下Cu-MOF NSs可以杀死高达99.9%的细菌,并且对S.aureus生物膜也有良好的根除效果。此外,该材料具有很好的生物安全性。
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