背景：纳米酶的潜力与挑战

自2007年首次报道Fe₃O₄纳米酶以来，已有超过1200种纳米材料被证实具有类酶活性。其中，二氧化铈因其优异的氧化还原循环能力和环境稳定性而备受关注。然而，CeO₂的过氧化物酶活性高度依赖于局部温度和pH，而在生理环境中这些条件往往不理想，限制了其临床应用。

材料设计与构建策略

研究团队设计并合成了名为AgAu C-L的复合纳米酶，其构建过程分为三步：

1.合成AgAu纳米笼：以银纳米立方体为牺牲模板，通过电溶解法制备具有中空笼状结构的银金纳米笼，其尖锐边缘和顶点可产生强局部电场，增强等离子体共振效应。

2.包覆CeO₂壳层：通过水热自组装法在AgAu纳米笼表面均匀包覆厚度为6 nm和10 nm的CeO₂壳层，形成AgAu@CeO₂核壳结构。

3.偶联益生菌：利用APTES和苯硼酸进行表面功能化，最终通过点击化学将AgAu@CeO₂共价连接至罗伊氏乳杆菌表面，形成AgAu C-L复合体。

三重调控机制协同增强催化活性

AgAu C-L通过以下三种机制协同提升CeO₂的POD-like活性：

1.温度调控：AgAu纳米笼在808 nm近红外光照射下产生光热效应，使局部温度升至40–50℃，显著加速酶促反应动力学。

2.电子转移增强：AgAu与CeO₂之间形成的异质结界面促进热电子从金属向半导体转移，加速Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环，提升催化效率。

3.pH调控：罗伊氏乳杆菌代谢产生乳酸和乙酸，降低局部pH至最适催化范围（约pH 4），进一步激活CeO₂的催化位点。

图1. AgAu C-L设计的示意图及通过三重增强纳米酶活性产生的强烈ROS风暴，高效清除牙周菌斑和抑制牙周病原菌的过程。图中展示了两个不同的时间阶段：“治疗阶段”（使用AgAu C-L进行主动干预）和“治疗后评估阶段”（影响细菌代谢）。该系统通过高效电子转移、近红外光照射以及益生菌代谢驱动的酸生成来调节局部温度和pH，从而显著增强CeO₂的POD活性。这种增强的活性诱导出强大的ROS风暴，有效清除牙周菌斑并抑制牙周病原菌。

图 2. 复合纳米材料的性能。(a–d) 在808 nm激光照射下，不同材料的FDTD模拟结果，包括(a) AgAu 纳米簇，(b) 带有6 nm CeO2壳的AgAu@CeO2，(d) 带有10 nm CeO2壳的AgAu@CeO2。(e) 比较不同CeO2壳厚度的AgAu@CeO2的酶活性。(f) 用808 nm NIR光以1 W/cm²功率密度照射10分钟后不同CeO2纳米材料的红外热成像图。(g) 相关温度曲线记录图。(h) AgAu@CeO2的温度变化。(i) AgAu@CeO2在不同激光照射强度(0.5、1 和 2 W/cm²)下，在808 nm近红外光照射下进行5个循环的光热稳定性测试。(j) 不同时间下808 nm NIR光照射下的时间依赖性酶活性。(k) 不同温度(25°C、40°C)下AgAu@CeO2纳米酶的吸收光谱。(l) ROS种类，包括⋅OH、¹O₂和O₂•−。(m) pH对AgAu@CeO2类POD活性的影响，通过在暗处或808 nm光照射5分钟后测得的EPR光谱确定。图中插图显示了相应的视觉颜色变化。(n) 在模拟牙周炎环境中，单独的L. reuteri、AgAu@CeO2和AgAu C-L对局部pH的时间依赖性酸化效果。(o) 温度对AgAu C-L类POD活性的影响。(p) 不同纳米材料的相对酶活性。(关于图例中颜色的解释，请读者参考本文在线版本。)

实验验证与性能表征

结构表征：TEM、SEM、XPS等证实了AgAu@CeO₂的成功合成与均匀分布，Ce³⁺比例显著提升，氧空位增多。

光热性能：AgAu@CeO₂在NIR照射下10分钟内升温至50℃，光热转换效率达41.8%，且具备良好的循环稳定性。

酶活性测试：在pH 4、40℃条件下，AgAu C-L + NIR组的POD-like活性最高，EPR检测显示其能产生·OH、¹O₂和O₂·⁻等多种活性氧物种。

pH调节能力：在模拟牙周炎环境中，AgAu C-L可将pH进一步降低0.15个单位，优于单纯益生菌组。

图3.各种纳米材料的表征。（a）Ag纳米立方体的代表性TEM图像。（b） AgAu NCs 的代表性透射电镜图像。（c） AgAu@CeO 2 的代表性透射电镜图像。（d） AgAu@CeO 2 种不同材料的 HRTEM 图像。（g）CeO中铈元素的XPS光谱2。（e） AgAu@CeO和AgAu@CeO中银、金、铀和铀的元素映射图像 2 2 。（f） 紫外-可见光谱。（h）各种样品的FT-IR光谱。（i）AgAu C-L的代表性透射电镜图像。（j）AgAu C-L的代表性SEM图像。

体外抗菌效果显著

研究团队对具核梭杆菌、戈登链球菌和牙龈卟啉单胞菌等牙周病原菌进行抗菌实验：

CFU计数：AgAu C-L + NIR组对具核梭杆菌的杀菌效果达到4-log减少，对多菌种生物膜也实现3-log减少。

活死染色与SEM：该组细菌死亡率达81.57%，生物膜结构严重破坏，且益生菌本身对ROS具有较强耐受性。

代谢组学分析：AgAu C-L干扰了具核梭杆菌的多种代谢通路，包括：

精氨酸-鸟氨酸-腐胺通路受阻，影响多胺合成与生物膜稳定性；

核苷酸代谢紊乱，UMP、GMP水平下降，乳清酸积累；

辅酶A合成受阻，影响能量代谢；

D-氨基酸代谢通路上调，反映细菌在氧化应激下的适应性反应。

图4. 体外抗菌效果。(a) F. nucleatum的菌落形成单位(CFU)图像；(b) S. gordonii与F. nucleatum双种培养的CFU图像。(c–d) CFU的相应统计信息。(e) 使用不同纳米材料处理后的F. nucleatum生物膜的代表性3D活/死细胞图像（绿色荧光表示活细胞；红色荧光表示死亡细胞）。(f) 使用不同纳米材料处理后的S. gordonii与F. nucleatum双种成熟生物膜的代表性3D活/死细胞图像（绿色荧光表示活细胞；红色荧光表示死亡细胞）。(g) F. nucleatum在不同处理条件下的活/死细菌比例。(h) F. nucleatum生物膜及S. gordonii双种生物膜的扫描电子显微镜(SEM)图像；箭头指向被识别为L. reuteri的银灰色细菌（比例尺 = 1 μm）。(n = 3, p < 0.05, 误差线表示平均值 ± 标准差)。

图5. 通过代谢组学分析对 AgAu C-L + NIR 处理的 F. nucleatum 生物膜进行的综合评估。(a)处理后生物膜中上调和下调代谢物的火山图。(b)显著差异表达代谢物的柱状图。(c)AgAu C-L + NIR 特异性抗菌机制的示意图。(d)与核苷酸代谢相关的代谢物热图。(e–h)展示 AgAu C-L + NIR 处理前后 Dephospho-CoA、DAP、GABA 和 N-乙酰丙氨酸表达情况的小提琴图。(i)KEGG 富集通路图。(j)与 D-氨基酸代谢通路相关的代谢物热图。

动物实验证实治疗潜力

在大鼠牙周炎模型中，AgAu C-L + NIR组表现出最佳治疗效果：

细菌负荷：CFU计数下降约3个对数单位。

牙槽骨吸收：CEJ–ABC距离从炎症组的1.35 mm降至0.49 mm，骨吸收显著抑制。

组织学分析：H&E和Masson染色显示炎症细胞浸润减少，胶原纤维排列接近健康组。

免疫调节：Arg-1表达上升，IL-6和TNF-α等促炎因子下降，表明局部免疫微环境得到改善。

图6. 各种纳米材料对体内牙周炎治疗效果的评估。(a) 牙周炎感染模型建立及评估的示意图。(b) AgAu@CeO₂ 2在808 nm近红外光照射（0.5 W/cm²，10分钟）下的热成像。(c) 不同纳米材料处理后菌落形成单位（CFU）计数的统计分析。(d) 使用微CT对上颌磨牙区进行三维重建（比例尺 = 1 mm）。(e) 微CT获得的上颌磨牙区三维重建对应的ABC–CEJ统计图。(f) 代表性的H&E染色图像（黄色箭头：炎症细胞）。(g) 代表性的Masson三色染色图像。(h) 牙周组织炎症区域免疫细胞数量统计分析。(i) 牙周组织炎症区域胶原降解百分比。(j) Arg-1相对免疫荧光强度。(k) TNF-α相对免疫荧光强度。（n = 3，p < 0.05，误差线表示平均值±标准差）。

生物安全性良好

细胞毒性：在100 μg/mL浓度下，L929成纤维细胞和MC3T3-E1前成骨细胞存活率均超过80%。

溶血率：各浓度下均低于5%，符合医用标准。

组织病理学：心、肝、脾、肺、肾等主要器官未见明显病理变化。

结论与展望

该研究成功构建了一种三重响应型纳米酶平台AgAu C-L，通过温度、pH和电子转移的协同调控，显著提升了CeO₂在生理环境下的催化性能，实现了对牙周病原菌的高效清除与生物膜瓦解，同时具备良好的生物相容性。该策略不仅为牙周炎治疗提供了新方案，也为纳米酶在复杂生理环境中的临床应用提供了可推广的设计范式。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2025.123731