中国科学技术大学苗庆庆教授《Advanced Materials》：手性单原子纳米酶通过活性氧催化与金属转运调控协同诱导铁死亡治疗细菌感染

纳米酶驱动的铁死亡通过诱导铁过载和氧化应激，为对抗耐药细菌感染提供了一种有前景的治疗策略。然而，细菌金属转运蛋白（MTP）和抗氧化系统能够减少铁积累和脂质过氧化，限制了基于铁死亡疗法的疗效并促进了耐药性。单原子和手性纳米酶凭借其高原子利用率和催化特异性，可能为克服细菌防御机制提供有效途径，但这一潜力尚未被开发。在本研究中，我们报道了D-手性单原子铁碳点纳米酶（DFe-NSC）用于有效的细菌感染治疗。与L-手性形式（LFe-NSC）相比，DFe-NSC表现出显著更高的过氧化物酶（POD）样和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）样活性。增强的催化活性促进了活性氧（ROS）的生成和谷胱甘肽的耗竭，破坏了细菌的氧化还原稳态。更有趣的是，DFe-NSC比LFe-NSC更能有效调控MTP（包括Fur和FtnA）的表达和铁调节功能。这将诱导细胞内Fe²⁺的大量积累及随后的脂质过氧化，从而促进铁死亡样细胞死亡的杀菌效果。因此，在糖尿病感染伤口和骨髓炎模型中，DFe-NSC表现出显著增强的抗菌和抗生物膜活性。本研究引入了一种手性催化-MTP调控策略来诱导细菌铁死亡样死亡，为耐药感染治疗提供了一种有前景的替代方案。
该研究以题为“Chiral Single-Atom Nanozymes-Enabled ROS Catalysis and Metal Transport Regulation Cooperatively Induce Ferroptosis to Treat Bacterial Infections” 发表在Advanced Materials。
本研究报道了具有手性选择性ROS催化能力和MTP调控功能的手性单原子铁碳点纳米酶（DFe-NSC）的设计与制备，旨在通过诱导铁死亡样死亡实现有效的抗菌治疗。
示意图：(A) 手性DFe-NSC和LFe-NSC纳米酶的构建及其通过手性选择性ROS催化和细胞内Fe²⁺调控诱导铁死亡样细菌死亡的机制。(B) 由手性纳米酶和葡萄糖氧化酶（GOx）组成的核壳微针（MNs）用于治疗糖尿病感染伤口和骨髓炎，其中GOx氧化葡萄糖生成H₂O₂，作为根除MRSA的底物。(C) 手性纳米酶调节金属转运蛋白（MTP）的表达和铁调节功能，导致Fe²⁺过载和ROS生成增强，与光热（PTT）和光动力（PDT）效应协同诱导铁死亡样细菌死亡。
图1. 手性Fe-NSC的表征。（A）DFe-NSC的TEM图像，比例尺：10 nm。（B）DFe-NSC的HRTEM图像和元素分布映射图。（C）DFe-NSC的AC-HAADF-STEM图像，比例尺：1 nm。（D）使用不同手性半胱氨酸对映体制备的Fe-NSC的圆二色谱。DFe-NSC的XPS谱图：（E）C 1s、（F）N 1s、（G）S 2p和（H）Fe 2p。（I）DFe-NSC和参考样品的Fe K边XANES谱图。（J）DFe-NSC和参考样品的FT-EXAFS谱图。（K）DFe-NSC的FT-EXAFS拟合谱图；插图为相应的Fe-N4S配位结构。（L）从Fe K边EXAFS拟合中提取的结构参数。（M）DFe-NSC的EXAFS的小波变换k²加权三维等高线图。

图3. 手性Fe-NSC的体外抗菌和抗生物膜活性。（A）在不同处理条件下与Fe-NC、LFe-NSC、DLFe-NSC和DFe-NSC孵育后MRSA菌落的琼脂平板图像，以及（B）相对细菌存活率的对应统计分析。（C）活/死细菌的CLSM图像及相对荧光强度的对应统计分析，比例尺：10 µm。（D）使用紫外-可见分光光度法检测处理前后细菌β-半乳糖苷酶释放水平。（E）在不同处理条件下与Fe-NC、LFe-NSC、DLFe-NSC和DFe-NSC孵育后MRSA生物膜的结晶紫染色图像，以及（F）OD590处结晶紫吸光度的热图。（G）相对生物膜清除率的统计分析。（H）不同处理条件下MRSA生物膜的3D CLSM图像和（I）SEM显微照片，比例尺：2 µm。数据显示为平均值±标准差，n = 3，p < 0.05，p < 0.01，**p < 0.001。

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论文链接（doi）：https://doi.org/10.1002/adma.202518810