南京邮电大学 ACS Nano：Cu2WS4纳米酶的细菌选择性结合与高效抗菌

【背景介绍】

细菌感染疾病长久以来严重影响着人类的健康。近年来，耐药菌的大量形成和广泛传播给传统的抗生素治疗带来极大的挑战。因此，迫切需要开发治疗细菌感染的新试剂和新手段。纳米酶是一类具有类酶活性的新型纳米材料。具有类氧化酶和类过氧化物酶性质的纳米酶可在生理环境中催化相应底物产生活性氧（ROS），从而在抗菌领域展现出广阔的应用前景。由于ROS的反应活性较高，在环境中扩散的距离有限，纳米酶生成的ROS往往难以高效作用于细菌，从而影响其抗菌活性和生物安全性。因此，类酶催化活性和细菌结合能力的有机结合是实现纳米酶高效抗菌的关键。

【成果简介】

近期，南京邮电大学汪联辉课题组报道了一种具有优异抗菌活性的Cu₂WS₄纳米晶（CWS NCs）。无论是在有光照还是无光照的情况下，低浓度的CWS NCs（<2 μg/mL）对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）的抑菌效率均可达5个数量级以上，显著高于常见的抗菌纳米材料（Ag、TiO₂等）及抗生素（万古霉素和达托霉素）。通过抗菌机理的研究发现，CWS NCs不仅具有类氧化酶和类过氧化物酶的催化性质，能够产生多种ROS，而且可以选择性结合在细菌表面，有效的促进ROS对细菌的杀伤。动物实验进一步表明，CWS NCs可以高效清除感染伤口中的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA），并能够促进伤口的愈合。该研究成果以题为“Efficient Bacteria Killing by Cu2WS4 Nanocrystals with Enzyme-like Properties and Bacteria-Binding Ability”发表在国际著名期刊ACS Nano上。第一作者为单京阳博士生，共同通讯作者为汪联辉教授和宇文力辉副教授。

【图文解读】

图一、CWS NCs制备和抗菌作用的示意图
（a）通过微波辅助合成CWS NCs；

（b）CWS NCs结合在细菌表面并催化产生ROS杀死细菌。

图二、CWS NCs的结构与性质表征
CWS NCs的（a）TEM图像，（b）HRTEM图像，（c）STEM图像和相应的Cu、W和S元素的分布，（d-f）Cu 2p、W 4f和S 2p轨道的XPS谱图，（g）XRD谱图，（h）Raman光谱，和（i）UV-vis-NIR吸收光谱。
 
图三、CWS NCs的抗菌活性

CWS NCs处理后大肠杆菌的失活效率（a）及其SEM图像（b）；

CWS NCs处理后金黄色葡萄球菌的失活效率（c）及其SEM图像（d）；

（e-f）CWS NCs与银纳米颗粒（Ag）、二氧化钛纳米颗粒（TiO2）、达托霉素（Dap）和万古霉素（Van）的抗菌能力对比。

图四、CWS NCs的抗菌机制
（a）过氧化氢酶（H2O2淬灭剂）和（b）异丙醇（▪OH淬灭剂）对CWS NCs抗菌活性的影响；

CWS NCs对谷胱甘肽（c）和抗坏血酸（d）的氧化能力；

CWS NCs在过氧化氢存在下对TMB（e）和TA（f）的氧化。

图五、CWS NCs的细菌结合能力

（a-h）与生理盐水共孵育的大肠杆菌的HAADF-STEM照片与元素分布；

（i-p）与CWS NPs共孵育的大肠杆菌的HAADF-STEM照片与元素分布。

图六、CWS NCs治疗小鼠伤口感染

（a）不同处理条件下小鼠伤口的照片；

（b）治疗过程中小鼠伤口面积的变化；

（c）治疗后伤口中细菌数量的变化（第4天和第7天）；

（d）治疗后第7天的伤口组织切片的H＆E和Masson染色图。

【总结】

综上所述，作者报道了一种具有细菌结合能力和催化抗菌能力的新型纳米酶（CWS NCs）。CWS纳米酶具有高效的广谱抗菌活性，相同实验条件下其抗菌性能优于一些典型的抗菌纳米材料和抗生素。抗菌机理的研究表明，CWS NCs具有双重的类酶活性，能够催化产生ROS（过氧化氢和羟基自由基）；并且可以在细菌表面选择性附着，从而提高其抗菌效率并减少对正常细胞可能的附带损害。体外和活体的实验表明，CWS NCs具有优异的抗菌活性和良好的生物相容性。总之，该工作展示了一种基于CWS的新型纳米酶，其抗菌机制对于发展新型高效抗菌纳米酶具有借鉴意义。

文献链接：Efficient Bacteria Killing by Cu₂WS₄ Nanocrystals with Enzyme-like Properties and Bacteria-Binding Ability（ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b03868）

通讯作者简介

汪联辉，南京邮电大学副校长、教授、博士生导师。教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，“万人计划”领军人才。研究方向：纳米光电功能材料、生物医学光电子学等。

宇文力辉，南京邮电大学副教授、硕士生导师。研究方向：低维纳米材料的可控制备及其生物医学应用。

本文由CQR编译。

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