单原子铜催化剂赋能抗菌肽：抗击耐药菌感染的新策略

在当今全球公共卫生领域，抗生素耐药性问题的日益严峻已成为人类健康的重大威胁。传统抗生素的广泛使用促使细菌等病原体不断进化，从而产生了一系列耐药菌株，使得许多常见感染变得难以治疗。面对这一挑战，科学界一直在探索新的抗菌策略，以期开发出能够有效对抗耐药菌的新型抗菌剂。近期，一项由福州大学生物科学与工程学院的 Xuan Chen 等人开展的研究，为我们带来了一种全新的抗菌疗法——将单原子铜催化剂与宿主防御肽（AMPs）相结合的纳米反应器（Cu@G-AMPs），为解决抗生素耐药性问题提供了新的思路和希望。

背景知识

宿主防御肽（AMPs）是一类具有独特抗菌活性和多重作用机制的生物分子，被认为是传统抗生素的理想替代品。AMPs 能够通过物理和结构上破坏病原体的细胞包膜，从而实现杀菌效果。然而，AMPs 在实际应用中面临着一些局限性，例如在体内复杂的微环境中稳定性较差，容易受到蛋白酶的降解，且其抗菌活性可能受到 pH 值等因素的影响。纳米技术的飞速发展为克服这些局限性提供了可能，通过将 AMPs 与纳米材料相结合，不仅可以增强 AMPs 的稳定性和抗菌活性，还能拓展其在生物医学领域的应用范围。

研究方法

研究团队从自然宿主防御机制中汲取灵感，设计并制备了一种人工复合物 Cu@G-AMPs，该复合物将单原子铜催化剂整合到富含杂原子的鸟嘌呤基底中。在制备过程中，首先通过配位热解反应将单原子铜锚定在鸟嘌呤衍生的碳基底材上，形成 Cu@G。随后，通过酰胺反应将具有氨基酸末端铜 - 镍结合基序（ATCUN）的 AMPs 修饰到 Cu@G 上，从而构建出具有抗菌活性的纳米反应器 Cu@G-AMPs。

实验结果

实验结果表明，Cu@G-AMPs 在体外对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）展现出了显著的抗菌活性，且这种活性与处理环境的 pH 值密切相关，在酸性条件下抗菌效果更为明显。通过共聚焦激光扫描显微镜观察到，经 Cu@G-AMPs 处理的 MRSA 细菌群体呈现出强烈的红色荧光，而绿色荧光较弱，这表明 Cu@G-AMPs 能够有效杀灭 MRSA 细菌。此外，Cu@G-AMPs 在 0-128 μg/mL 的浓度范围内对 MC3T3-E1 细胞的毒性较低，且不会引起红细胞的溶血和破裂，显示出良好的生物相容性。

关键结论

Cu@G-AMPs 的抗菌机制主要归因于其类芬顿催化活性。Cu@G-AMPs 能够催化过氧化氢（H2O2）生成具有强氧化性的羟基自由基（OH），从而对 MRSA 细菌造成不可逆的损伤。具体来说，Cu@G-AMPs 通过破坏 MRSA 细菌的应激响应系统，包括群体感应调节、抗氧化酶和基因修复与重组等关键环节，实现了抗菌效果。此外，Cu@G-AMPs 还继承了 AMPs 的免疫调节特性，在 MRSA 感染的伤口区域能够执行多种功能，如促进伤口边缘闭合、稳定肉芽组织、促进胶原纤维增殖、减轻炎症和促进新生血管形成等。

研究意义

这项研究开发的 Cu@G-AMPs 为应对耐药菌感染提供了一种全新的策略。与传统抗生素相比，Cu@G-AMPs 具有多重优势。首先，它通过非特异性靶点发挥作用，降低了细菌产生耐药性的风险。其次，Cu@G-AMPs 的抗菌活性不受限于细菌的特定基因型或表型，因此对多种耐药菌株都具有潜在的治疗效果。此外，Cu@G-AMPs 还能够适应体内复杂的微环境，在促进伤口愈合方面展现出良好的应用前景。这些特点使得Cu@G-AMPs 成为一种极具潜力的新型抗菌剂，有望在未来临床治疗中发挥重要作用。

未来展望

尽管 Cu@G-AMPs 在实验室研究中取得了令人鼓舞的结果，但在将其推向临床应用之前，仍需进行大量的进一步研究。例如，需要深入探讨 Cu@G-AMPs 在体内的代谢过程、潜在的毒性和副作用，以及如何优化其剂量和给药途径以实现最佳治疗效果。此外，还需要开展大规模的临床试验，以验证 Cu@G-AMPs 在实际医疗环境中的安全性和有效性。尽管如此，这项研究无疑为开发新型抗菌疗法开辟了一条新的道路，为抗击抗生素耐药性这一全球性挑战提供了新的希望和方向。随着研究的不断深入和技术的不断进步，我们有理由相信，基于纳米技术的抗菌策略将在未来成为对抗耐药菌感染的重要武器。

参考文献：https://www.engineering.org.cn/engi/EN/10.1016/j.eng.2024.09.021