国科温州研究院刘勇Small：利用邻位羧基调控金属/多酚纳米过氧化物酶活性

细菌及细菌生物膜引起的感染已经对人类的生产生活造成重大威胁。目前人类的许多疾病都与细菌生物膜感染有重大关联。常见的口腔疾病中，如龋齿、牙周炎等，主要由于细菌及细菌生物膜感染引起的。龋齿是一种典型的生物膜型疾病，主要由微生物产生的局部酸性环境引起，从而导致致龋细菌的快速生长和牙釉质的酸溶解，长此以来，会导致致龋生物膜产生，牙釉质磷灰石脱矿，最终导致龋齿的生成。由于生物膜的微酸环境以及难渗透性，传统的抗生素（例如洗必泰）对致龋生物膜的治疗有限，因此需要更适用的药物治疗龋齿。

最近国科温州研究院刘勇研究员与温州医科大学附属口腔医院胡荣党院长合作开发了一种邻位含有羧基的金属/多酚（GA/Fe）纳米结构模拟过氧化物酶的材料。GA/Fe纳米结构在酸性条件下有非常好的类过氧化物酶活性，产生大量的ROS，从而可以高效杀死致龋细菌以及破坏生物膜。在该研究中，多酚的存在可以加速Fe²⁺向Fe³⁺的转化速度，从而加快ROS的产生。另一方面，作者们发现金属/多酚纳米结构的模拟过氧化物酶活性与多酚的结构有关，并且使用DFT理论计算证明，邻近的羧酸结构可以提高模拟过氧化物酶活性。GA/Fe纳米结构的类过氧化物酶活性具有明显的pH依赖性，在酸性条件下具有非常高的活性，可以与天然过氧化物酶HRP媲美。然而在弱酸以及中性条件下，GA/Fe纳米结构几乎没有类过氧化物酶活性。这一特异性使得GA/Fe纳米结构可以选择性的杀死口腔中的致龋细菌。

该研究选择了五种常见的植物多酚（单宁酸TA、鞣花酸EA、没食子酸GA、表没食子儿茶素没食子酸酯EGCG、咖啡酸CA、原儿茶酸PA），通过对五种多酚与金属构建的纳米结构进行了相关表征以及类过氧化物酶活性测试。结果发现多酚结构中含有邻近羧酸结构的多酚比其他的多酚与Fe构成的多酚/金属纳米结构类过氧化物酶活性高。作者通过DFT理论计算进行了相关验证，计算结果如图1所示。通过对三个模型产生活性氧的过程进行了计算（模型I：不含邻近羧基的多酚（酸性条件反应）；模型II：含邻近羧基的多酚（碱性条件反应）；模型III：含邻近羧基的多酚（酸性条件反应）；）。理论计算的第一步为材料对过氧化氢的吸附，模型III的吸附能（0.63eV）明显高于模型I（0.08eV）和模型II（0.29eV）；最后在生成羟基自由基的过程中，模型III（1.21eV）低于模型I（1.84eV），而模型II是不利于该过程进行的。最终结论：（1）碱性条件下，多酚/金属纳米结构不利于进行催化过氧化氢生成羟基自由基过程；（2）酸性条件下，结构中含有邻近羧酸结构的多酚有利于多酚/金属纳米结构进行催化过氧化氢生成羟基自由基过程。

图1. 计算DFT计算过程

作者通过扫描电镜和透射电镜图像对最终选定的材料GA/Fe纳米结构进行了尺寸和元素分析（图2）。图像验证了GA/Fe纳米结构具有大小尺寸约为100 nm，元素C，O，Fe均匀分布在材料上。然后使用3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）来评估GA/Fe纳米结构的类过氧化物酶活性（图3）。作者使用的材料测试浓度为0.01mM，该实验在避光条件下进行。实验反应原理如图3A所示，通过测试产生的oxTMB进行结果表征。通过与天然过氧化物酶（HRP）进行不同条件下的活性比较，测试结果表明GA/Fe纳米结构的类过氧化物酶活性受温度和储存天数影响更小，更稳定，并且与HRP相比更易受pH影响。这一特性为后续特异性杀灭致龋细菌打下了良好的基础。

图2.材料结构

图3. 酶活性表征

变形链球菌（S. mutans）是口腔致龋细菌中最为常见的一种，作者以此为模型细菌进行了抗菌活性验证。作者分别从抗菌活性和抗菌机理两个方面进行了相关实验验证。通过传统涂布法对有无材料作用后的细菌菌落数进行统计，结果表明GA/Fe纳米材料在酸性条件下具有非常好的抗菌活性。然后通过扫描电镜进行了细菌和材料作用后的形貌观察，发现与GA/Fe纳米材料作用后细菌膜表面皱缩，而对照组细菌膜光滑完整。死活染色结果统计表明GA/Fe纳米材料可以杀死98.99%的细菌。最后作者通过细菌胞内物质（ALP、β-半乳糖苷酶）检测试剂盒进行实验，最终证明与GA/Fe纳米材料作用后细菌破裂，胞内酶溶出。为了验证GA/Fe纳米材料的抗生物膜活性，作者进行了变形链球菌（S. mutans）生物膜的解离。作者通过传统涂布法、结晶紫染色、死活染色等手段进行了表征。从结果中可以看出，经过GA/Fe纳米材料处理，生物膜中的细菌被杀死，生物数降低，最终生物膜被解离。

最后，作者构建了大鼠口腔中的致龋细菌（S. mutans）感染模型。作者通过每日冲洗大鼠口腔的形式进行口腔中致龋菌的杀灭，连续进行5天后，进行了口腔细菌的计数，大鼠口腔植入牙齿表面的形貌表征以及大鼠口腔的菌群分析。实验结果表明GA/Fe纳米材料可以选择性的杀死致龋细菌，并且不会破坏口腔内的菌群稳定性。

国科温州研究院博士研究生王娅然与温州医科大学附属口腔医院硕士生周嘉楠为论文的共同第一作者，刘勇研究员、胡荣党教授以及李华平研究员为论文通讯作者。

此研究得到国家自然科学基金（基金号52003184，51933006，22103088，和51773099）、国科温州研究院启动基金（基金号 WIUCASQD2021022 和WIUCASQD2021019），浙江省临床检验诊断与转化研究重点实验室（基金号2022E10022）等资助支持。

论文信息：

Neighboring Carboxylic Acid Boosts Peroxidase-Like Property of Metal-Phenolic Nano-Networks in Eradicating Streptococcus mutans BiofilmsYaran Wang, Jianan Zhou, Lu Yuan, Fan Wu, Lingping Xie, Xiaojian Yan, Huaping Li*, Yuanfeng Li*, Linqi Shi, Rongdang Hu*, Yong Liu*SmallDOI: 10.1002/smll.202206657点击左下角「阅读原文」，查看该论文原文。

Small

期刊简介

"微米或纳米：没有一种材料能被轻视”。秉持这样的理念，Wiley旗下Small杂志自从2005年创刊以来，一直致力于发表和传播涉及微米和纳米材料的研究成果，无论理论或是实验，无论聚焦或是综合。近年来Small杂志的影响力与声誉年年攀升，最新影响因子为15.153。稿件内容与读者群体已覆盖物理、化学、生物、工程等众多领域。

WILEY

相关阅读

Wiley China

Wiley China

Wiley China

MaterialsViews

Wiley旗下材料科学类期刊官方微信平台

关注公众号及视频号

推送材料科研资讯｜访谈材料大咖新秀

分享撰稿投稿经验｜关注最新招聘信息

点击“分享”，给我们一点鼓励吧~