仿生構(gòu)建具有類偽足表面的MOF@COF納米酶用于抑制細(xì)菌
導(dǎo)語(yǔ)
大量研究報(bào)道金屬有機(jī)框架（MOF）結(jié)構(gòu)具有模擬酶的功能，但由于其類酶催化活性較低，因而使得其在催化性能和治療效果方面不能令人滿意。基于此，中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所曲曉剛研究員和任勁松研究員等人2021年在Angewandte Chemie International Edition 上發(fā)表了“Nature-Inspired Construction of MOF@COF Nanozyme with Active Sites in Tailored Microenvironment and Pseudopodia-like Surface for Enhanced Bacterial Inhibition”一文，該研究利用源于自然的靈感設(shè)計(jì)并構(gòu)建了具有定制微環(huán)境活性位點(diǎn)和偽足類表面的MOF@COF納米酶（NMCTP-TTA），從而增強(qiáng)納米酶的催化和治療效率。研究中采用“順序生長(zhǎng)”的方法來(lái)合成NMCTP-TTA。首先溶劑熱法制備NM-88并通過(guò)席夫堿反應(yīng)形成NM-88-CHO，接著COF共價(jià)連接Tp 和 TTA 構(gòu)建NM-88-CHO，最后將連接到NM-88-CHO上形成NMCTP-TTA。所得到的納米粒子在活性位點(diǎn)周圍形成特定的微孔環(huán)境，通過(guò)非共價(jià)相互作用富集和激活底物分子，這種樹杈狀結(jié)構(gòu)納米酶可以如同中性粒細(xì)胞“偽足”樣捕獲細(xì)菌并產(chǎn)生ROS有效地殺死細(xì)菌。
研究?jī)?nèi)容
1. MOF@COF的合成與表征
研究人員用具有過(guò)氧化物酶樣活性NH2-MIL-88B（Fe）（NM-88）作為模型納米酶，通過(guò)席夫堿反應(yīng)形成醛功能化的納米酶NM-88-CHO。用TP和TTA共價(jià)連接COF構(gòu)建表面COFTP-TT。最后通過(guò)溶劑熱法將COFTP-TTA和NM-88-CHO以共價(jià)連接方式形成MOF@COF納米酶。SEM,EDS,FTIR表明MOF@COF納米酶的成功制備（圖1 A,B,C,I）；COF Tp-TTA、NM-88 和 NMC Tp-TTA ζ 電位 （圖1D）；不同PH條件下NMC Tp-TTA和 NM-88的類過(guò)氧化物酶活性（圖1F,G）。研究人員觀察到與NM-88相比，MOF@COF的過(guò)氧化物酶樣活性明顯提高，并且僅COFTp-TTA無(wú)法催化TMB的氧化。因此，MOF@COF的增強(qiáng)催化能力可能歸因于其在COFTp-TTA的組成和結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)以及在周圍微環(huán)境提供活性位點(diǎn)模仿氨基酸殘基的功能，激活與底物的催化反應(yīng)，從而增強(qiáng)催化能力。掃描電鏡和透射電鏡觀察到MOF@COF具有“偽足”形態(tài)和多孔結(jié)構(gòu)。
圖1，A)NMCTp-TTA的TEM圖像；B）EDS圖像；C，D）COFTp-TTA，NM-88和NMCTp-TTA的FT-IR和ζ電位；E）NMCTp-TTA的過(guò)氧化物酶樣活性示意圖；F，G）通過(guò)監(jiān)測(cè)pH 2–7在652 nm處TMB的吸收，NMCTp-TTA和NM-88的過(guò)氧化物酶樣活性。H）對(duì)它們的過(guò)氧化物酶樣活性的定性分析；I）NMCTTA-TFB，NMCTp-TAPB，NMCTAPB-TFB的TEM圖像。
2. MOF@COF與細(xì)菌相互作用
基于中性粒細(xì)胞形成偽足包圍并捕獲細(xì)菌的行為，研究人員推測(cè)具有偽足樣形態(tài)的MOF@COF可以緊密捕獲細(xì)菌，并通過(guò)原位產(chǎn)生的ROS有效殺死細(xì)菌。接下來(lái)對(duì)MOF@COF的體外抗菌進(jìn)行研究中，作者設(shè)置了六個(gè)不同的組來(lái)研究其對(duì)耐藥金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性，結(jié)果顯示在NM-88和MOF@COF的協(xié)助下，H2O2以劑量依賴性方式顯著抑制了兩種細(xì)菌的生長(zhǎng)（圖2 A, B）。通過(guò)平板計(jì)數(shù)和定量分析表明，單獨(dú)的NM-88幾乎不會(huì)抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，單獨(dú)的NMCTp-TTA表現(xiàn)出輕微的降低，而MOF@COF聯(lián)合H2O2降低細(xì)菌存活率比其他組更有效（圖2 E）。并且SEM測(cè)試結(jié)果表明帶有偽足樣的MOF@COF緊緊撕扯細(xì)菌的細(xì)胞壁，導(dǎo)致輕微的結(jié)構(gòu)變形，這可能源于MOF@COF與細(xì)菌的細(xì)菌細(xì)胞壁之間的多價(jià)拓?fù)湎嗷プ饔?圖2 F)。MOF@COF聯(lián)合H2O2的抗菌效果增強(qiáng)是由于MOF@COF與細(xì)菌細(xì)胞壁的結(jié)合增強(qiáng)，以及MOF@COF自身產(chǎn)生原位.OH，可更直接有效地破壞病原體。
圖2，在不同處理?xiàng)l件下與H2O2共孵育后金黃色葡萄球菌（A）和大腸桿菌（B）的存活率；不同處理后金黃色葡萄球菌（C）和（D）大腸桿菌的存活率；E）不同處理對(duì)金黃色葡萄球菌（左）和大腸桿菌（右）的菌落照片，（I）PBS，（II）H2O2，（III）NM-88，（IV）NMCTp-TTA，（V）NM-88 + H2O2，（VI）NMCTp-TTA+ H2O2；（F）金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的SEM圖像。
3. MOF@COF促進(jìn)傷口愈合
接下來(lái)進(jìn)一步研究MOF@COF的體內(nèi)應(yīng)用。通過(guò)采用小鼠傷口感染模型，探索了它們?cè)隗w內(nèi)消除細(xì)菌的潛力。研究人員構(gòu)建金黃色葡萄球菌感染傷口模型，采用不同治療方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NMCTp-TTA+ H2O2組中出現(xiàn)輕度炎癥和一些膠原蛋白形成，平板計(jì)數(shù)定量分析發(fā)現(xiàn)NMCTp-TTA+ H2O2組的菌落最少（圖3 C,D）。治療5天后，NMCTp-TTA+ H2O2組表現(xiàn)出最佳的傷口愈合效果，且傷口面積最小（圖3 B）。因此可以得出結(jié)論，COFTp-TTA可以增強(qiáng)NM-88納米酶的催化和治療性能，并表現(xiàn)出令人欣慰的抗菌效果。
圖3 ，A）對(duì)金黃色葡萄球菌傷口感染模型的治療策略示意圖；B）在第1天和第5天用不同處理方法處理的傷口感染模型的圖像；（C）用不同處理方法從傷口組織中分離出的細(xì)菌菌落的圖像；D）處理5天后，從小鼠獲得的皮膚組織的H＆E和膠原蛋白I免疫組織化學(xué)染色（比例尺為50μm）。
總結(jié)
MOF@COF納米酶以MOF的金屬節(jié)點(diǎn)為活性中心,隨后生長(zhǎng)的COF結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生多級(jí)納米空腔以在活性位點(diǎn)附近形成合適的孔環(huán)境，可以富集并激活底物分子,進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)細(xì)菌的抑制作用。此外，COFs具有的類偽足表面使得該系統(tǒng)能夠有效地捕捉細(xì)菌，從而進(jìn)一步增強(qiáng)該納米酶的治療效率。綜上所述，這一研究不僅可以促進(jìn)新型納米酶的發(fā)展，而且也將拓寬MOF/COF基雜化材料的生物學(xué)應(yīng)用。
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