铜锰双金属氧化物水凝胶通过破坏细菌蛋白表达及多重酶活性协同加速MRSA感染伤口愈合

　　本研究发现，负载Cu1.5Mn1.5O4纳米球的温敏性水凝胶（Cu1.5Mn1.5O4/F127）具备多重酶活性（OXD-like/POD-like/GSH-Px-like）及光热性能，可通过产生活性氧（ROS）、消耗谷胱甘肽（GSH）及光热效应协同杀菌。其释放的金属离子可破坏细菌细胞壁功能、抑制蛋白质表达与核苷酸代谢，同时促进胶原沉积与血管生成，为耐药菌感染伤口治疗提供新策略。

　　

Statement of Significance

1. 1.

   Cu_1.5Mn_1.5O₄/F127复合水凝胶展现出增强的多酶活性、ROS生成及GSH消耗能力，显著提升了传统纳米酶的抗菌治疗效果。

2. 2.

   该水凝胶具有突出的光热性能，为实现多模式协同抗菌治疗提供了理想平台。

3. 3.

   它可通过阻断核苷酸代谢和抑制蛋白质表达，影响细菌的核心生理活动，从而实现高效灭菌。

4. 4.

   温敏特性和止血效果使其在有效抗菌的同时促进伤口愈合。

5. 5.

   在伤口弱酸性环境中缓慢释放Cu与Mn离子，加速胶原沉积与血管生成，进而推动组织修复。

Introduction

皮肤是人体重要器官，能够抵抗外来微生物入侵。一旦因烧伤或手术创伤导致皮肤损伤，细菌会迅速感染伤口，诱发难以愈合的溃疡甚至严重炎症反应。因此，高效灭菌与有效修复是感染伤口治疗中最关键的两个环节。目前临床治疗主要依赖抗生素，但其使用存在诸多限制。长期滥用抗生素加剧了细菌耐药性，导致“超级细菌”的出现。

纳米酶是一类具有天然酶活性的纳米材料，可在温和条件下将生物环境中的分子转化为高毒性活性氧（ROS），从而杀灭细菌。近年来，金属纳米酶因其高效抗菌活性及不易引发耐药性，已成为治疗细菌感染伤口的有效替代策略。例如，具有类过氧化物酶（POD-like）活性的锰基纳米酶可通过将氧分子转化为·OH自由基来清除细菌；铜基纳米酶则可通过配体相互作用将Cu离子释放至细菌细胞内，破坏细菌DNA与RNA功能。此外，铜基纳米酶的光热特性使其能借助高温实现灭菌。

尽管金属纳米酶的快速发展为感染伤口治疗带来新机遇，仍存在诸多亟待解决的问题：催化活性需进一步增强；多样化的伤口类型及干燥表面环境影响疗效；伤口修复能力有限。此外，现有对纳米酶抗菌机制的研究多集中于ROS引起的氧化损伤，而对细菌蛋白质合成、核酸代谢等关键环节的影响尚未深入探索。

蛋白质是细菌生命系统中的基本物质，在结构支撑、激素调节、酶催化及免疫防御等基础生命过程中发挥核心作用。细菌蛋白质的表达依赖于转录、翻译等关键步骤，涉及tRNA、rRNA与核糖体的精密协作。一旦蛋白质合成相关通路被破坏，细菌将遭受比氧化损伤更严重且不可逆的后果。近年研究表明，某些金属离子（如Cu、Co）可通过结合tRNA阻止其正确运输氨基酸至核糖体，或干扰rRNA加工影响核糖体组装与功能，从而导致细菌蛋白质表达与核酸代谢失常。

受上述启发，构建一种可抑制细菌蛋白质表达并影响核酸代谢的金属纳米酶，有望突破现有纳米酶的局限，实现感染伤口的高效治疗。

此外，伤口保护（包括止血与透气）是细菌感染伤口修复中的另一关键环节。水凝胶具有高透气性、柔韧性及渗出液吸收能力，有助于止血并提供湿润屏障环境以防止进一步感染。本研究成功制备了温敏性Cu_1.5Mn_1.5O₄/F127水凝胶，并将其应用于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染伤口的治疗。该水凝胶具备类氧化酶（OXD-like）、类过氧化物酶（POD-like）和类谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px-like）活性，以及良好的光热性能，可通过ROS、GSH清除及光热疗法实现协同杀菌。RNA测序（RNA-seq）分析表明，其高效抗菌活性主要源于破坏肽聚糖与磷壁酸生物合成、阻断核苷酸代谢，以及通过干扰tRNA和rRNA功能抑制蛋白质表达。Cu_1.5Mn_1.5O₄/F127水凝胶的温敏性使其能在体表迅速凝胶化，并在感染微环境中持续释放铜离子与锰离子，助力组织修复。体内实验表明，该水凝胶可通过促进胶原沉积与血管生成、减轻炎症反应，加速细菌感染伤口的愈合。总体而言，本研究为纳米酶水凝胶在细菌感染伤口治疗中的应用提供了新思路。

Section snippets

Synthesis of Cu_1.5Mn_1.5O₄ nanospheres

Cu_1.5Mn_1.5O₄纳米球（Cu_1.5Mn_1.5O₄ NSs）通过模板牺牲法制备。首先参照文献方法合成聚丙烯酸钠纳米球（PAAS NPs），随后将Cu(NO₃)₂·3H₂O与Mn(NO₃)₂·6H₂O溶液滴加至PAAS溶液中，室温持续搅拌过夜，获得PAAS@Cu(OH)₂/Mn(OH)₂前体。最后将前体离心洗涤，并在空气中煅烧得到目标纳米球。

Preparation and characterization of the Cu_1.5Mn_1.5O₄ NSs

Cu_1.5Mn_1.5O₄ NSs的合成过程如图1A所示。扫描电镜（SEM，图1B）与透射电镜（TEM，图1C–D）显示前体经煅烧后转变为直径约200 nm的纳米球，表面呈现多孔结构，元素映射证实Cu与Mn均匀分布。

Conclusion

本研究通过简便通用的方法制备了Cu_1.5Mn_1.5O₄纳米球，其多重酶活性与光热特性赋予其高效杀菌效应。原核RNA测序与转录组分析表明，该纳米球可通过抑制细菌细胞壁合成、核苷酸代谢及蛋白质表达等关键通路导致细菌死亡。将纳米球封装于F127中形成温敏水凝胶，进一步提升了其生物相容性与伤口修复功能，为纳米酶在感染伤口治疗中的转化应用奠定基础。