西安交大魏晶教授团队《ACS AMI》：介孔氧化铈空心球/酶纳米反应器的构建及级联催化抗菌治疗

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细菌感染性疾病长期威胁着人类的健康，而滥用传统抗生素会导致细菌产生耐药性。开发新型抗菌剂来对抗细菌性感染是非常必要的。近年来，纳米酶被认为是一种有效的抗菌剂，具有类过氧化物酶活性的纳米酶可以将H₂O₂催化氧化为剧毒的羟基自由基来杀灭细菌。然而，纳米酶的类过氧化物酶活性通常依赖于环境中的pH值，大多数类过氧化物酶只有在酸性条件下才表现出增强的催化活性，这严重限制了它们在近中性生物体系中的应用。此外，炎症组织中的谷胱甘肽会消耗自由基。因此，通常需要引入高浓度的H₂O₂来产生足够的羟基自由基应用于抗菌治疗。然而，高浓度的H₂O₂不仅会引起免疫原性和炎症，而且还会损伤正常组织。因此，迫切需要开发一种具有高催化活性以产生足够羟基自由基的催化体系用于抗菌治疗。

近日，西安交通大学生命分析化学与仪器研究所魏晶教授团队设计了一种介孔二氧化铈空心球/葡萄糖氧化酶纳米反应器，并成功用于级联催化抗菌治疗（图1）。作者首先基于自模板合成策略制备了具有介孔结构的空心二氧化铈纳米球。该介孔CeO₂空心球不仅可以作为装载葡萄糖氧化酶（GOx）的纳米容器，而且表现出类过氧化物酶的催化活性。通过在介孔二氧化铈空腔中负载GOx，构筑了介孔二氧化铈/葡萄糖氧化酶纳米反应器。该纳米反应器可以将葡萄糖和氧气转化为葡萄糖酸和H₂O₂，避免了直接使用相对高浓度的H₂O₂，将副作用降至最低。生成的葡萄糖酸可以有效降低纳米空腔内部的pH值，显著增强介孔CeO₂的类过氧化物酶催化活性。同时，空腔内部生成的H₂O₂在介孔CeO₂空心纳米球催化作用下，可持续产生剧毒的羟基自由基，实现杀菌的目的。

图1. 介孔CeO₂空心球/GOx纳米反应器的构建及级联催化抗菌治疗

实验结果证明CeO₂/GOx纳米反应器具有优异的抗菌性能，可以防止细菌生物膜的形成。此外，动物实验证明该纳米反应器可以有效消除小鼠伤口组织中99.9%的细菌，并防止炎症持续发生而不损伤小鼠的正常组织。这种纳米反应器只需要无毒的葡萄糖即可连续产生羟基自由基，最大限度地减少了对健康组织的副作用。这项工作为构建功能纳米介孔反应器提供了一种通用策略，并在抗菌治疗中具有潜在的应用价值。

相关成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces期刊上。通讯作者为西安交通大学生命学院生命分析化学与仪器研究所魏晶教授，论文第一作者为西安交通大学生命学院博士生秦婧。该工作得到了国家自然科学基金项目等项目的支持。

文章信息：

Qin, J.; Feng, Y.; Cheng, D.; Liu, B.; Wang, Z.; Zhao, Y.; Wei, J.* Construction of a Mesoporous Ceria Hollow Sphere/Enzyme Nanoreactor for Enhanced Cascade Catalytic Antibacterial Therapy. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, doi.org/10.1021/acsami.1c10821.

作者简介

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魏晶，西安交通大学生命学院教授。长期从事低维纳米介孔材料的可控制备、物化性质调控及传感应用的基础研究。在Nat. Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等国际学术期刊发表论文80余篇，被引用6000余次。现担任Biosensors编委及客座编辑，Chin. Chem. Lett.青年编委，Front. Bioeng. Biotech.客座编辑。获上海市优秀博士论文奖、中国分析测试协会科学技术奖一等奖。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c10821

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