氮化钨过氧化物酶模拟活性的氮空位调控用于细菌感染治疗

原创

来源：曹璐璐

2024-11-07 15:55:57

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核心提示：该论文的研究重点是通过探索非金属氮成分来提高纳米酶的功效。通过将WS2转化为WN的氮化过程，实现了纳米酶活性的异常升级，标志着从惰性到功能性的关键转变。

引言

细菌感染每年造成数百万人死亡,而细菌耐药性的不断升级更加剧了这一全球性危机。例如,甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌(MRSA)已成为医院和社区最主要的致病菌之一,除了对甲氧西林及其相关抗生素耐药,MRSA还通过改变抗生素靶点、产生修饰酶和降低膜通透性等机制表现出对多种药物的耐药性。大肠埃希菌在长期使用抗菌药物导致免疫功能低下的情况下,也可引发严重的内源性或获得性感染,是最常见的与血流感染和尿路感染相关的革兰氏阴性菌。由耐药菌引起的感染通常难以根治、治疗困难且容易复发,给临床治疗带来巨大挑战。

针对这一问题,纳米酶凭借其固有的生物催化功能、出色的生物相容性和广谱抗菌性能,被视为是下一代抗生素的理想替代品。纳米酶展现出多样化的酶模拟活性,如过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和氧化酶(OXD)等,在生物医学领域拥有广泛应用前景。金属有机框架(MOF)材料作为一类多孔配位高分子,通过调控金属节点和有机配体,可赋予其丰富的催化活性和模式。此外,将不同金属(Fe、Co、Mn、Ni、Cu和Zn)引入金属卟啉配体中,也揭示了诸多有趣的催化行为,其中PCN-222(Fe)溶液更是展现出顶级的POD样活性。可见,精细调控金属活性位点的几何和电子结构对于构建高效纳米酶至关重要。

作为地球上最丰富的元素之一,N通过N空位(NV)、N掺杂、N配位和氮化物等方式,能够对纳米酶的结构和性能产生关键调控。例如,通过有针对性地破坏C₃N₄表面的N-(C)₂位点引入NV,可诱发局部电子重分布和延伸π电子delocalization,从而增强POD样活性。N掺杂可重构电子结构,N掺杂多孔碳球表现出多样化的OXD、POD、CAT和SOD样活性,能够精细调节活性氧(ROS)水平。此外,调节N与金属元素的配位环境和电子结构,如M-N₂、M-N₃和M-N₄配位,也能实现对纳米酶活性的调控。这些研究均突出了氮化作为提升过渡金属纳米材料纳米酶活性的关键策略。

基于密度泛函理论(DFT)计算,研究阐明了N在调控WN纳米酶活性中的关键作用。WN中N的引入赋予了其纳米酶功能,而精准调控NV则可增强OH*吸附态的稳定性,加快羟基自由基的脱附动力学,从而放大催化效率。在此基础上,通过氮化的方式将WS₂转化为具有POD样活性的WN,并进一步引入NV以进一步增强纳米酶活性。所得WN纳米花呈现独特的花状结构,有利于与细菌表面的相互作用。这一双重机制不仅能对细菌造成物理损害,还可利用拓扑效应精准定位ROS,有效杀灭捕获的细菌,抑制生物膜形成和细菌繁殖。重要的是,WN表现出优异的生物相容性,在治疗细菌感染性伤口及促进伤口愈合方面展现出卓越性能。

正文:

1. DFT计算揭示N在调控WN过氧化酶活性中的关键作用

理论建模和实验验证证实,N空位的形成可重构WN的电子构型和吸附状态,降低OH*中间体的脱附能垒,从而放大WN的过氧化酶活性。

2. WN纳米花的结构表征

通过水热法制备具有花状形貌的WS₂纳米结构,并经氮化处理得到WN纳米花。XRD、FTIR、拉曼光谱等表征技术证实了WN的成功合成。

3. WN纳米花的过氧化酶模拟活性

WN纳米花展现出优异的过氧化酶活性,可高效催化H₂O₂分解,氧化TMB、GSH和OPD等底物。EPR证实WN产生大量羟基自由基,Km和Vmax等动力学参数超越多数人工过氧化酶。

4. WN纳米花的抗菌和抑制生物膜能力

WN纳米花能有效杀灭耐药金葡菌和大肠埃希菌,并通过物理作用和精确自由基定位破坏细菌表面,显著抑制生物膜形成。动物皮肤感染实验进一步验证了WN纳米花在细菌感染治疗和促进伤口愈合方面的出色性能。

结论与展望

该论文的研究重点是通过探索非金属氮成分来提高纳米酶的功效。通过将WS₂转化为WN的氮化过程，实现了纳米酶活性的异常升级，标志着从惰性到功能性的关键转变。此外，NV的整合有助于进一步强化酶的性能。理论模型和经验验证都证实了纳米酶活性的起源和增强与氮化和氧空位的存在之间的密切联系。值得注意的是，WN NFs表现出了非凡的靶向和高效生成·OH自由基的能力，超过了某些先前记录的人工过氧化物酶的催化能力。利用其复杂的纳米花结构和丰富的活性氧生成，WN NFs能够精确地定位捕获和根除细菌威胁，克服了短暂的自由基寿命和有限的扩散范围所带来的挑战。通过细菌脂质膜的有效氧化，WN NFs在短时间内使细菌种群完全消灭，并大大减少了细菌生物膜的形成。在细菌感染的生物伤口治疗中，在不诱导显著炎症反应或不良毒性作用的情况下，加速伤口愈合和恢复的潜力。该研究为双功能纳米酶的设计范式提供了思路，以满足生物感染治疗领域捕获和中和病原体的需求，从而预示着氮化物纳米酶在生物医学应用领域的应用前景广阔。

参考文献

Zhongwei Yang, Longwei Wang, Xiaoyu Zhang, Jian Zhang, Na Ren, Longhua Ding, Aizhu Wang, Jing Liu, Hong Liu, and Xin Yu. ACS Nano 2024 18 (35), 24469-24483.

DOI: 10.1021/acsnano.4c07856