四川大学程冲/柏林自由大学Rainer Haag团队AM综述：生物催化纳米抗菌材料的设计和应用

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第一作者：范心

通讯作者：马朗、程冲、Rainer Haag

通讯单位：柏林自由大学、四川大学

核心内容

1. 回顾了近年来热门的生物催化纳米抗菌材料的设计思路。

2. 总结了各类生物催化纳米材料的抗菌机理及应用。

3. 提出了该研究领域未来发展趋势和面临的挑战。

研究背景及生物催化纳米材料在抗菌领域的优势

致病菌感染是目前致死率最高的临床病症之一，其中，多重耐药菌引发的感染更是面临无药可用的困境。 因此，开发新型的，具有替代抗生素潜力的抗菌药物刻不容缓。近年来，通过模拟自然界和人类免疫系统中的多种在控制病原体或调节细胞凋亡的天然酶的结构及性能，科研工作者们研发了大量的生物催化纳米材料。该类材料能自发地或在一定外加条件下催生具有超高毒性的活性氧，从而实现对细菌及它们所形成的生物膜的高效杀灭。同时，相比于天然酶，生物催化纳米材料又有着更优的催化活性，更佳的热、氧及溶剂稳定性，以及更低的量产成本，我们认为，该材料的诞生无疑会为未来的抗菌治疗提供了全新的可能。

综述简介

近日，四川大学程冲研究员团队联合柏林工业大学Rainer Haag教授团队，总结了该团队及国际同行近年来基于生物催化纳米材料构建的一系列性能优异的抗菌方案，并对这些先进的生物催化材料的抗菌机制及效力进行了总结，同时也对该领域的未来发展提出了展望。

要点1：生物催化材料的设计及抗菌机制

作者首先简述了生物催化纳米材料的设计思路及催化抗菌机制，它们可大致归于以下6类：1）部分生物催化纳米材料可自发产生活性氧，如氧化物酶模拟物，该类材料能自发催化氧气产生超氧根阴离子·O₂^-；2）部分生物催化纳米材料可催化一些诸如双氧水，葡萄糖，卤素离子等化学辅助物在不借助额外能量输入时产生各种活性氧；3）部分生物催化纳米材料的活性氧催生潜能在通过额外能量输入时（例如光照，超声等）才会开始显露或是被进一步提升；4）部分生物催化纳米材料可淬灭细菌分泌的信号分子，阻断它们的群体感应，从而抑制生物膜的形成；5）部分生物催化纳米材料可以模拟核酸内切酶，通过切断已成型生物膜中的eDNA实现生物膜的瓦解；6）部分生物催化纳米材料可以响应生物膜的微环境，通过利用生物膜微环境中低pH，具有高浓度还原性物质谷胱甘肽等特征实现生物膜微环境靶向清除。

图1. 生物催化纳米材料的抗菌催化机制

要点2：阐述并比较各生物催化抗菌体系效力、应用及优劣

接着，根据上述分类，作者依次对近年来报道的基于生物纳米催化抗菌体系的构建、催化性能、抗菌效力、实际应用等方面进行了详细介绍，并且对各体系的优势、劣势及使用前景进行了全面的评估。

图2. 各类能自发产生活性氧实现细菌清除的生物催化纳米材料

图3. 各类通过外界能量输入催生活性氧从而实现细菌清除的生物催化纳米材料

要点3：总结了该领域目前面临的挑战

在文章的最后，作者进一步提出和总结了该研究领域未来发展趋势和面临的挑战，主要包括：

1）作为一类纳米材料，生物催化纳米材料自身所具有的蓄积性毒性有待长期考察。此外，我们期待有更多可通过肾代谢或可体内降解的生物催化材料产生，以期在不久的将来实现更安全的体内致病菌感染治疗；

2）各类生物催化纳米材料的催化机理已在体外被系统性地阐述，然而，生理环境往往比体外环境复杂的多，我们目前仍缺乏相应手段来实时检测各种催化过程是否能够在真正的生物体内进行。因此，同时也应大力发展硬件设施以完善并理解这一类新型具有临床潜力的医疗手段；

3）生物催化纳米材料的抗菌效力主要依赖其催生的活性氧，然而，细菌是否能产生对活性氧的具有耐受力的突变体目前不得而知且有待长期研究；

4）活性氧的毒性是非选择性的，因此有待进一步研发具有高度细菌/生物膜靶向性的生物催化材料来减轻其对感染周遭健康组织及细胞的毒性；

5）不可否认部分金属基的生物催化纳米可能存在潜在的由离子渗漏引发的毒性。鉴于此，制备具有更高金属催化活性中心利用率，更低金属离子渗漏风险的新型催化剂，例如前文阐述及总结的单原子催化剂则非常具有研究前景；

6）目前，许多科研工作者基于生物催化纳米材料实现了光动力、声动力、光热等多重协同细菌感染治疗。但是在实际应用中，这种多重协同抗菌策略往往会增加许多人力成本。并且，施行光，声动力治疗往往仍需要借助其他医疗手段来定位细菌感染病灶，这将显著延长确诊及治疗之间。我们认为，作为有潜力在未来替代抗生素的新型抗菌手段，生物催化纳米材料应同样具备识别深部的，未知的细菌感染病灶的能力。因此，我们认为，在未来的生物催化纳米材料的设计中，应妥善平衡其性能及实操性。我们坚信，在不久的将来，基于生物催化纳米材料的抗菌策略将取得空前成功。

作者简介

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程冲 研究员

        长期致力于设计高分子基先进低维功能材料及开发其在生物医药及能源催化领域的应用，特别是基于新型配位聚合物的微纳米结构设计、功能调控、大规模制备、及前沿应用开发。目前以第一/通讯作者在Nature Materials、Chemical Reviews、Science Advances、Advanced Materials (7篇)、Nano Today、Nano Letters (2篇)、Advanced Functional Materials (4篇)、Small、Nano-Micro Letters等国内外高水平期刊上发表论文70余篇，共发表论文110余篇，总引用5000余次，H-index为40，在申及授权中国发明专利12项，欧洲专利1项及PCT专利2项，并参编英文著作1章，担任InfoMat及Advanced Fiber Materials等多个国际期刊的杂志（青年）编委。课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/aldm-scu?lang=zh

Rainer Haag 是柏林自由大学大分子化学的终身教授，目前也是合作研究中心SFB 1449 “生物界面动态水凝胶”项目的发言人。目前研究方向是研发用于构建高功能聚合物载体的树突状聚合物，用于药物传递的大分子纳米转运体，以及界面上的多功能水凝胶。此外，在2016年，他与Dendropharm一起获得了柏林-勃兰登堡创新奖。自2019年以来，他是德国科学与工程学院的当选成员(acatech)。目前已在Science Advances, Nature communications，Advanced Materials 等高水平期刊上发表约555篇学术论文及拥有35份专利项目。课题组主页：www.polytree.de

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