深層細菌感染（DBIs）具有頑固性和對組織的深層滲透能力。消除深層頑固細菌和促進組織再生面臨巨大的挑戰。本文設計了一種新型的細菌響應水凝膠（SFT-B Gel），可用于DBIs實時監測和近紅外二區深層光熱治療（NIR-II PTT）。以甲基化三嗪（TPT3+）浸染后的絲素蛋白溶液為骨架，與超離液陰離子（B12H122-）通過離液效應交聯形成SFT-B Gel。此外，SFT-B Gel表現出DBIs的實時監測能力，在細菌存在的情況下，可以被細菌原位還原生成TPT2+?自由基。含自由基的SFT-B Gel（SFT-B★ Gel）具有較強的NIR-II吸收和優異的光熱效應，可以快速消除DBIs和促進感染組織快速愈合。本研究為利用離液效應構建具有獨特性能的智能水凝膠提供了新的途徑。
圖1. 離液效應誘導絲素蛋白溶液Sol-Gel轉化以及細菌原位響應NIR-II深層光熱抗感染
近期，武漢科技大學王曉強副教授基于硼簇的離液效應開發了一種具有DBIs實時感染監測和NIR-II深層PTT的新型可注射水凝膠（SFT-B Gel）（圖1A）。首先，絲素蛋白（SF）利用靜電相互作用與甲基化三嗪（TPT3+）結合形成SFT Sol，作為水凝膠前體。然后，通過TPT3+和B12H122-之間的離液效應實現溶膠-凝膠（Sol-Gel）轉變，誘導絲素蛋白交聯。結果表明，隨著B12H122-水溶液不斷加入到SFT Sol中，可以制備出具有自愈合性能和可注射性的SFT-B Gel（圖1B）。在DBIs中，甲基化TPT3+可以被兼性厭氧菌（如E. coli和S. aureus）原位還原生成自由基形式（TPT2+?），并伴有明顯的顏色變化（從白色變為黑色）。超分子晶體通過離液效應形成的空間效應和自旋密度的離域極大地穩定了TPT2+?自由基。SFT-B★ Gel在NIR-II范圍內表現出較強的吸收和優異的光熱轉換效率（38.13%），具有卓越的抗菌效果。此外，SFT-B Gel還可以作為組織工程支架，具有出眾的生物相容性和生物降解能力，有助于促進感染組織快速愈合（圖1C）。該工作以“Chaotropic Effect Induced Sol-Gel Transition and Radical Stabilization for Bacteria-Sensitive Near-Infrared Photothermal Therapy”為題發表在《Nano Letters》期刊上（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00860）。文章共同第一作者是武漢科技大學李文珍博士以及王子鑫博士。該研究得到國家自然科學基金、湖北省人才計劃和煤轉化與新型炭材料湖北省重點實驗室的支持。
1. 離液效應促進溶膠-凝膠（Sol-Gel）轉化
如圖2B-E所示，通過離液效應，TPT3+與B12H122-緊密排列，形成塊狀或棒狀的超分子晶體（TPT-B12），而在SFT-B Gel中，TPT-B12的形態發生了明顯的變化，形成直徑150 nm球形納米顆粒（圖2F，G），并且在冷凍干燥后觀察到多孔交聯水凝膠結構（圖2H-J）。
圖2. TPT-B12的單晶X-Ray衍射（SXRD）結構及TPT3+與B12H122-之間的相互作用
2. 細菌響應原位還原與NIR-II光熱效應
圖3. 細菌原位還原SFT-B★ Gel及體外NIR-II（1064nm，0.5 W/cm2）光熱抗菌效果
細菌響應原位還原如圖3A所示，SF Sol、SFT Sol以及SFT-B Gel與細菌菌液共培養24后，SFT Sol與SFT-B Gel均出現明顯的顏色變化，SFT Sol從白色變為淺黃色，而SFT-B Gel從白色變為黑色。圖3B，C所示的紫外-可見（UV-Vis）光譜變化和電子順磁共振（EPR）波譜變化進一步說明，共培養后發生顏色變化是因為甲基化三嗪（TPT3+）被細菌原位還原生成TPT2+?自由基形式導致的，且在600~1200 nm范圍內具有較強的吸收，在NIR-II激光（1064 nm，0.5 W/cm2）照射下具有顯著的光熱效應和光熱穩定性（圖3E，F）；诖，對SFT-B Gel在NIR-II的PTT抗菌活性進行了研究。如圖3G，I所示，SFT-B★ Gel顯示出NIR-II光熱抗菌效果，E. coli和S. aureus抗菌效率分別達到99%和98%以上。此外，經SFT-B★ Gel Light組處理后的細菌SEM成像顯示，細菌出現嚴重的損傷和內容物泄漏，說明SFT-B★ Gel在NIR-II激光照射下具有顯著的光熱抗菌能力（圖3H）。這種設計不僅實現了對細菌的實時監測識別，也為處理DBIs提供了一種潛在的新策略。
3. 組織工程支架與NIR-II光熱治療DBIs
圖4. SFT-B Gel作為組織工程支架與體內NIR-II光熱治療DBIs
SFT-B Gel作為組織工程支架具有良好的生物相容性。如圖4B-D所示，與SF Sol、SFT Sol和TTP-B12相比，SFT-B Gel顯示出與絲素-單寧酸水凝膠（SF-TA Gel）相同的促進細胞遷移和細胞增殖的能力，說明SFT-B Gel適用于體內抗感染治療。隨后，如圖4A方案所示，建立小鼠皮下DBIs模型進行了體內深層光熱治療。如圖4E所示，小鼠皮下注射混有S. aureus菌液的SFT-B Gel后，隨著培養時間的增加，觀察到感染部位出現明顯的顏色變化。之后，在1064 nm激光照射（1.0 W/cm2，5 min）下，SFT-B★ Gel Light組小鼠膿腫部位溫度顯著升高至56.0 ℃（圖4F，G），而其他對照其溫度變化不明顯。最后，經SFT-B★ Gel Light組處理后的膿腫部位快速愈合，在第10天創口基本愈合完全。相應地，如圖4K-O所示，各組處理后的感染部位組織液細菌平板及組織切片進一步證實了SFT-B Gel作為DBIs實時監測水凝膠敷料和組織工程支架具有突出的臨床應用潛在價值。
小結
該工作是團隊近期利用離液效應制備實時監測細菌感染和NIR-II深層光熱治療DBIs的可注射水凝膠的最新進展。該方法采用絲素蛋白（SF）、甲基化三嗪（TPT3+）和超離液陰離子（B12H122-）構建了一種新型的細菌響應可注射水凝膠（SFT-B Gel）。SFT-B凝膠在DBIs微環境下表現出顯著的細菌響應行為，顏色變化明顯（從白色到黑色），并且在NIR-II（1064 nm）激光照射下具有顯著的光熱效果。此外，SFT-B Gel還具有突出的生物相容性和自降解能力，可以作為組織工程支架促進DBIs傷口愈合。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00860
