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四川大学李玉宝/李吉东 ACS Nano：多酶活性硫量子点纳米酶介导级联反应在感染性骨缺损全期对症治疗中的应用
2025-02-28  来源：高分子科技
关键词：多酶活性硫量子点 纳米酶 级联反应 感染性骨缺损

  感染性骨缺损（IBDs）是骨科、颌面外科和牙种植科的常见并发症，具有感染持续和骨愈合缓慢等特点。细菌常在植入物表面形成生物膜，导致难以根除的慢性感染。在感染性骨缺损的治疗中，早期细菌清除、中期炎症缓解以及晚期组织愈合的有效衔接仍是临床面临的重要挑战。


  近日，四川大学分析测试中心李玉宝/李吉东团队报道了一种基于硫量子点（SQDs）的智能纳米酶体系。该工作通过精准调控酶级联反应顺序，实现早期杀菌、中期抗炎与晚期骨再生的全阶段协同治疗感染性骨缺损（IBDs），为纳米酶在感染性组织修复领域提供了创新策略。相关工作以“Multienzyme-Activity Sulfur Quantum Dot Nanozyme-Mediated Cascade Reactions in Whole-Stage Symptomatic Therapy of Infected Bone Defects”为题发表在ACS Nano期刊上。四川大学Jiangshan Liu（刘江山）博士生为论文第一作者，Jidong Li（李吉东）和Yubao Li（李玉宝）为通讯作者。


示意图｜硫量子点纳米酶合成及介导级联反应治疗感染性骨缺损


图1｜硫量子点纳米酶的合成与结构表征


  通过采用自上而下的过氧化氢刻蚀技术结合乙二胺辅助加速法，成功制备了超小尺寸（2.06 ± 0.06 nm）硫量子点。表面修饰的乙二胺配体增强了其稳定性和生物相容性。通过实现纳米级单质硫的晶体结构可控合成，突破传统硫颗粒溶解性差、活性低的技术瓶颈。


图2｜硫量子点纳米酶多酶活性的pH响应性


图3 DFT计算揭示硫量子点纳米酶pH响应活性起源


  通过多酶活性测试以及DFT计算证实了硫量子点纳米酶多酶活性的pH响应性。研究发现SQDs纳米酶在不同pH条件下展现出不同的催化机制。在酸性环境中，SQDs纳米酶能够通过超氧化物歧化酶-过氧化物酶（SOD-POD）级联反应有效催化ROS的原位生成。而在中性环境中，SQDs纳米酶则通过SOD-过氧化氢酶（CAT）级联反应促进H2O2分解成水和氧气，从而减少ROS的积累。这种pH响应性的催化特性为感染性骨缺损的全阶段对症治疗提供了一个实现“先杀菌后修复”时序智能控制新策略。


图4｜抗菌性能抗菌机制解析


  SQDs纳米酶通过“ROS爆发+硫化氢释放”双重攻击，突破细菌防御体系，对金黄色葡萄球菌/大肠杆菌杀灭率>99%，可通过引起氧化应激和干扰ATP电子传递链，影响细菌正常的转录、合成和代谢生物学过程。SQDs纳米酶是一种通过氧化应激损伤和阻断呼吸链来发挥抗菌作用的高性能广谱抗菌剂。


图5｜体外免疫微环境重塑与免疫成骨


  SQDs纳米酶通过发挥SOD/CAT酶级联活胞内清除ROS，促使巨噬细胞重编程从促炎表型往抗炎表型转变，从而缓解炎症微环境。SQDs纳米酶驱动的巨噬细胞极化转变创造了一个有利的免疫微环境，从而增强了BMSCs的成骨分化。


图6｜感染性骨缺损的治疗


  动物实验表明，SQDs纳米酶在早期能够实现快速细菌清除，并通过激活NF-κB炎症信号通路调节免疫微环境，促进了感染性骨缺损的愈合。通过“杀菌-抗炎-成骨”级联调控，攻克感染性骨缺损修复难题。本研究开发的SQDs纳米酶体系，为动态微环境响应型催化药物设计提供了新范式。该研究得到国家重点研发计划（2021YFA1201300）和国家自然科学基金（32171338）的支持。


  原文链接

  J. Liu, J. Wei, S. Xiao, L. Yuan, H. Liu, Y. Zuo, Y. Li*, and J. Li*. A Multienzyme-Activity Sulfur Quantum Dot Nanozyme-Mediated Cascade Reactions in Whole-Stage Symptomatic Therapy of Infected Bone Defects.

  https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12343

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（责任编辑：xu）
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