中山大学潘昕、暨南大学陆超团队《Chem. Eng. J.》:四臂宿主防御拟肽增强的碳化钒MXene微针阵列用于高效光激发杀菌

皮肤和软组织化脓性感染是常见的临床病症，通常由化脓性致病菌（如金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌等）侵入表皮、真皮和皮下组织引起。由于传统外用抗生素制剂的抗菌效率低、药物渗透性差及局部滞留时间短，其治疗周期往往较长。随着致病菌耐药性的快速发展，其临床治疗难度也随之增大，恶化的风险也随之增加。因此，开发新型抗菌治疗策略对于提高患者治愈率和降低截肢率，具有重要的意义。

近日，中山大学潘昕副教授与暨南大学陆超副教授合作，构建了一种四臂宿主防御拟肽表面功能化的碳化钒MXene二维纳米药物（4K10@V2C），并通过可溶性微针介导该抗菌药物向局部感染病灶的高效递送（图1）。在该设计中，带正电的四臂宿主防御拟肽（4K10）通过静电相互作用高效包裹于碳化钒MXene（V2C）纳米片的表面，从而介导纳米药物与细菌的高效高选择性结合。4K10的破膜作用可显著降低细菌的耐热性，增加V2C纳米片的光热杀菌效率。由于4K10@V2C是生物可降解的，其降解产物VxOy在可见光照射下可持续产生活性氧（ROS），从而抑制细菌反弹。因此，抗菌微针4K10@V2C MN将细菌破膜、光热消融和光催化作用“三效合一”，在小鼠与人离体皮肤感染模型中表现出优异的治疗效果。该研究成果以“Four-armed host-defense peptidomimetics-augmented vanadium carbide MXene-based microneedle array for efficient photo-excited bacteria-killing”为题，发表在Chem. Eng. J. (DOI: 10.1016/j.cej.2022.141121)。

图1. 微针介导药物向感染病灶的高效递送及4K10@V2C 的“细菌破膜-光热消融-光催化”抗菌作用。

在体外研究中，4K10表现出广谱抗菌活性，能有效杀死多种临床常见的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，而且没有明显的细胞毒性与溶血副作用。在联合抗菌实验中，4K10对V2C的抗菌增效作用显著。即使4K10的浓度只有0.39 μg/mL（即其单独使用时有效抑制MRSA的1/32浓度和有效抑制P. aeruginose的1/256浓度），4K10都能显著增强V2C的光热细菌消融效果，实现100%的杀菌效率 （图2）。

图2. 4K10@V2C的协同抗菌活性。

扫描电子显微镜和SYTO9/PI双染实验显示，4K10通过类似于天然宿主防御肽的破膜机制发挥抗菌作用，而且4K10@V2C 光热治疗组（4K10@V2C + NIR）对细菌细胞的物理损伤作用最明显。研究发现，V2C的光热治疗还可以通过刺激细菌内源性ROS的产生，增加细菌的膜损伤程度。

该研究证实了V2C的氧化产物VxOy在可见光照射下可发挥光催化杀菌消毒作用。相比于其他产物为无活性化合物的光热剂，V2C的氧化产物有望在感染伤口处持续产生ROS，从而抑制细菌反弹 (图3)。

图3. 4K10@V2C的抗菌机制。

该研究进而通过结晶紫与酯化钙黄绿素，分别对生物膜成分及生物膜中的活菌进行染色。结果表明，4K10@V2C+NIR的处理不但有效破坏了细菌生物膜，而且能有效杀死生物膜中超过99.997%的细菌。鉴于细菌生物膜发挥的屏障保护作用，严重阻碍了抗生素向生物膜内部的渗透，该实验进一步阐明了4K10@V2C在逆转细菌耐药方面的独特潜力 (图4)。

图4. 4K10@V2C的抗细菌生物膜活性。

随后，作者采用多步离心法，将4K10@V2C复合纳米片富集于在可溶性微针贴片的针尖，成功制备了抗菌微针贴片4K10@V2C MN。研究表明，4K10@V2C MN具有足够的机械强度，可有效刺入大鼠皮肤，进而将4K10@V2C递送至皮肤深层组织 (图5)。

图5. 4K10@V2C MN贴片的制备与表征。

最后，为了研究4K10@V2C MN的实际治疗效果，该研究建立了MRSA感染引起的小鼠皮下脓肿模型，将其自由暴露于正常的室内灯光下，进而采用不同的微针进行治疗。结果表明，4K10@V2C MN组在近红外光照射下升温明显，其体内抗菌效果也明显优于其他治疗组。与百多邦软膏治疗组相比，4K10@V2C MN的治疗可有效杀死的皮肤组织更多的细菌（相差75倍），促进感染皮肤的快速愈合。在人离体皮肤感染模型的治疗中，4K10@V2C可在近红外光照射后有效破坏皮肤生物膜，并杀死99.98%以上的MRSA细菌，实现快速而有效的局部抗菌效果（图6）。此外，体内安全性实验表明，该抗菌微针贴片的生物安全性高，不会对给药部位皮肤和全身组织带来明显毒副作用。

图6. 4K10@V2C MN对小鼠和离体人皮肤模型中的抗菌效果。

该研究强调了宿主防御拟肽的细菌破膜作用，在增强光热抗菌疗效中的独特优势；也证实了V2C MXene纳米片可降解为具有光催化活性的氧化产物，从而发挥持续抑菌效果。4K10@V2C MN有望在临床实践中发挥独特的应用潜力。

硕士研究生俸小芊和冼冬意是该论文的共同第一作者，中山大学潘昕副教授与暨南大学陆超副教授是该论文的共同通讯作者。上述成果得到了广东省自然科学杰出青年基金、国家自然科学基金、广州市自然科学基金等项目的支持。

作者介绍

潘昕，中山大学药学院副教授，博士生导师，广东省杰出青年、广州市“珠江科技新星”。研究方向为创新药物制剂的理论及应用研究。在ACS Nano, J Control Release, Chem Eng J, Acta Pharm Sin B, Bioact Mater, Small, Theranostics, ACS Appl Mater Inter, Acta Biomater, Eur J Pharm Biopharm, Int J Pharm等杂志发表SCI论文180余篇。共申请发明专利45项，获得授权专利25项，其中3项已转让给企业。主持国家自然科学基金项目3项、广东省自然科学基金杰出青年项目、“十三五”国家重大新药创制专项子课题等。获奖包括中国发明创业创新奖二等奖（2/6）和2019中国产学研合作创新成果一等奖（2/10）等。学术兼职包括《Asian Journal of Pharmaceutical Science》青年编委、《Chinese Chemical Letters》青年编委，《药学进展》青年编委等。

陆超，暨南大学药学院副教授，硕士生导师，曾任美国南佛罗里达大学访问学者，中山大学药学院博士后。主要从事药物制剂新技术与新剂型研究方向，专注于抗菌肽创新制剂的理论与应用研究。近年来，在Adv. Funct. Mater.、Acta Pharm. Sin. B、Chem. Eng. J.、Bioact. Mater.、Acta Biomater.、J. Med. Chem.等权威期刊发表SCI论文40余篇，申请专利4项（授权2项），参编专著2部，主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、广州市基础研究计划基础与应用基础研究项目等多个项目。担任期刊Acta Materia Medica、Exploration、hLife和Materials Futures的青年编委、Pharmaceutics专题顾问、Molecules专刊主编，多个SCI杂志的审稿人，国际控释协会等学术组织会员，中国药物制剂大会、岭南国际药学大会组委会成员，广州市增城区创新创业领军团队（人才）项目核心成员，致力于推动高端药物制剂的产业化工作。

封面来源于图虫创意