近日，课题组2020级硕士生章燕同学以第一作者在美国化学学会应用材料与界面期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》(lF=9.229)在线发表了题为“Biomineralized Cascade Enzyme-Encapsulated ZIF-8 Nanoparticles Combinedwith Antisense Oligonucleotides for Drug-Resistant Bacteria Treatment”的论文。课题组郑鹏武教授、朱五福教授和潘青山博士为本文通讯作者。

近年来，由特殊病原体所引发的新兴传染病已成为当前全球公共关系和卫生领域的重大挑战。2020年以来，新冠肺炎的出现严重危害了全世界的健康，在防控疫情的同时，治疗和防范耐药性细菌感染更是不可忽视的。2020年中国抗生素耐药性监测系统(CARSS)检测报告显示，革兰阳性菌(G+)和革兰阴性菌(G-)分别占临床分离菌总数的28.1%和71.9%，其中金黄色葡萄球菌中耐甲氧西林菌株(MRSA)的检出率高达31.0%。细菌严重侵犯着我们的生活环境，抗生素的过度使用以及生物膜的形成更是不断加速耐药菌株的发展，使细菌感染成为高发病率和高死亡率的世界性疾病。为了解决这一全球健康问题，探索和开发有效治疗耐药菌感染的新兴替代方法的任务迫在眉睫。

作者设计用沸石咪唑酯框架材料(ZIF-8)包封生物级联酶葡萄糖氧化酶(GOx)和辣根过氧化物酶(HRP)，同时结合反义寡核苷酸(ASO)构建一种仿生矿化纳米材料(GOx&HRP@ZIF-8/ASO)用于耐药细菌感染的协同治疗(如图所示)。在水相环境中，将生物酶GOx和HRP共包裹于ZIF-8的空腔中制备GOx&HRP@ZIF-8纳米颗粒，两种酶的包封率分别达到63.62%(GOx)和91.46%(HRP)，同时高度保留了生物酶的活性。然后，通过静电相互作用使ftsZ ASO紧密粘附于GOx&HRP@ZIF-8颗粒表面形成GOx&HRP@ZIF-8/ASO纳米颗粒，利用ZIF-8可提高ftsZASO的细胞递送效率。

GOx&HRP@ZIF-8/ASO仿生纳米系统存在三重协同抗菌作用。首先，系统内的级联酶反应能够被葡萄糖(Glu)激活产生有毒的羟基自由基(·OH)，从而破坏细菌膜并诱导细菌凋亡。论文中通过使用3,3'-5.5'-四甲基联苯胺(TMB)和亚甲基蓝(MB)两种试验来验证·OH的产生。然后，进入细菌细胞的ftsZASO能够引发细菌生长过程中ftsz基因的下调，抑制细菌的生长繁殖。最后，结合ZIF-8本身的锌粒子(Zn)抗菌作用，达到最大的协同抗菌效率。

各种体外实验证实，GOx&HRP@ZIF-8/ASO在Glu的催化下对大肠杆菌(E.coli)、金黄色葡萄球菌(S.aureus)以及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)均具有良好的抑菌性能，特别是对MRSA的最低抑菌浓度(MIC)仅为16ug/mL。与单纯的ZIF-8(32.85%)和ftsZ ASO(58.65%)相比，GOx&HRP@ZIF-8/ASO+Glu对MRSA菌生物膜的去除效率高达88.2%，表现出优异的生物膜破坏能力，表明级联酶反应产生的活性氧(·OH)和ftsZ ASO能够协同增强抗菌作用。体外毒性试验以及体外溶血试验验证了GOx&HRP@ZIF-8/ASO材料具有很好的体外安全性。此外，体内抗MRSA感染治疗实验表明，GOx&HRP@ZIF8/ASO在Glu存在下表现出最佳的创面修复性能和良好的生物相容性。这些结果表明，GOx&HRP@ZIF-8/ASO是一种新兴的、有效的仿生型纳米抗菌材料。本研究实现了生物酶的抗菌应用，同时为未来制造高效的协同抗菌纳米系统提供了一个有意义的平台。