浙江大学周民团队Biomaterials：表面增强拉曼探针用于医学影像监控下的耐药菌感染伤口灭菌及促愈合研究

【引言】

慢性创面已经逐步成为临床实践中的常见伤口类型，例如创伤、烧伤、术后创口不愈合等所致的慢性伤口已经跃居发病率的首位。如果被忽视，可能会从局部感染发展为全身感染，败血症，多器官功能障碍。手术室中或者复杂室外环境中存在的多重耐药性细菌，会进一步加剧这一挑战。传统的抗生素治疗方案在耐药菌感染疾病的疗效与研发成本上难以满足急剧增加的临床需求，因此急需寻找新型的抗菌途径与抗菌材料。此外，如果能实时的对伤口上残留的细菌进行精确的影像监控，将为临床医生提供更加有效的途径，来掌握治疗的黄金时期。

【成果简介】

2020年1月18日，浙江大学转化医学院周民研究员团队在生物材料领域期刊《Biomaterials》在线发表题为以“Gold-Silver Nanoshells Promote Wound Healing from Drug-Resistant Bacteria Infection and Enable Monitoring via Surface-Enhanced Raman Scattering Imaging”的研究论文。该课题的主要研究内容是研发新型抗菌（特别是耐药细菌）促伤口愈合药物，并通过拉曼医学影像对伤口愈合状况进行实时监控。

【图文导读】

Figure 1:中空金银纳米壳颗粒光学性能调控及结构表征

a-b)中空金银纳米壳颗粒(hollow AuAgNSs)不同反应条件下的光学吸收光谱及颜色变化；c-e)透射电子显微手段表征纳米颗粒形貌及元素分布；f)XRD衍射分析成份

Figure 2:中空金银纳米壳颗粒光热及体外拉曼性能研究

a)中空金银纳米壳颗粒不同浓度下的光热升温曲线；b)不同纳米颗粒结合信号分子(DTTC)后的吸收光谱图；c-d) 与e-f) 分别为hollow AuAgNSs-DTTC孵育不同数目的超广谱β-内酰胺酶大肠埃希菌(ESBLE.coli)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)后的拉曼信号图谱及其统计；g)结合DTTC后，纳米颗粒表面的电性反转结果；h-i) hollow AuAgNSs-DTTC对不同数目的两种耐药菌的体外SERS成像图；

Figure 3:活体伤口拉曼影像监控

a-b)感染与非感染部位结合hollow AuAgNSs-DTTC后，16h内的SERS成像能力对比图，及其强度统计分析；c)SERS影像八天内对感染伤口的监控成像；

Figure 4:体外抗菌性能测试

a) 不同浓度hollow AuAgNSs 与ESBLcoli和MRSA孵育后的照片浊度图；b-c)不同纳米颗粒对两种耐药菌的抗菌活性对比统计图；对应的光热组，使用808 nm激光照射10分钟；

Figure 5:体外菌落形成实验

a) 不同浓度hollow AuAgNSs 与ESBLcoli和MRSA孵育后的菌落形成照片；b-c)不同纳米颗粒对两种耐药菌的菌落形成对比统计图；对应的光热组，使用808 nm激光照射10分钟；

Figure 6:死/活双染荧光照片

死/活双染结果说明hollow AuAgNSs在激光作用下相对于单纯的Ag颗粒具有更高的细菌杀伤效果

Figure 7:不同处理组ROS荧光染色图

ROS染色结果说明hollow AuAgNSs在激光作用下相对于单纯的Ag颗粒产生更多的活性氧

Figure 8:不同处理组SEM表征

a-b) 不同形态或组成的纳米颗粒与ESBLE.coli在激光照射后的SEM照片；c-d）不同形态或组成的纳米颗粒与MRSA 在激光照射后的SEM照片；

Figure 9: ESBLE.coli与hollowAuAgNSs经激光照射后的元素分布SEM图

SEM与能谱扫描结果说明细菌表面具有充分的纳米粒子吸附，并产生杀伤作用

Figure 10:不同处理组TEM表征

a-b) 不同形态或组成的纳米颗粒与ESBLE.coli在激光照射后的TEM照片；c-d）不同形态或组成的纳米颗粒与MRSA 在激光照射后的TEM照片；

Figure 11:Hollow AuAgNSs纳米凝胶表征

a-c) hollow AuAgNSs纳米颗粒与透明质酸钠形成凝胶前后的光学与光热性能测试；d-e) hollow AuAgNSs纳米凝胶与Ag纳米凝胶皮肤伤口处的升温能力对比照片；

Figure 12:感染皮肤抗菌促愈研究

a-b）不同纳米颗粒凝胶在激光辅助下对感染皮肤伤口的愈合过程照片及统计图；c)对应的HE染色图；

Figure 13:处理动物血常规测试

血常规结果说明设计的hollow AuAgNSs 不会产生明显的血液毒性；

总结：

浙江大学医学附属第二医院/转化医学研究院周民团队通过与浙江大学医学院附属第二医院眼科中心合作，设计以中空金银纳米材料为基底，引入高灵敏/高分辨率的表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering）成像技术，形成多功能诊疗一体化纳米药物，用于精准拉曼影像监控下的耐药菌感染伤口的灭菌与促愈合研究。该纳米药物在近红外激光的辅助下，可以实现光热效应、银离子以及活性氧等多种途径的协同杀菌作用。通过系统的体内和体外实验研究证明，该纳米药物具有超强的光谱抗菌效果，既可有效清除普通的革兰氏阳性菌和革兰氏阴菌，更是可以有效杀死多种难以治疗的超级细菌，包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和超广谱β-内酰胺酶大肠埃希菌。在超级细菌感染的小鼠皮肤慢性伤口试验中，该药物具有高效的灭菌效果。使得低浓度纳米药物处理后的伤口可以快速高效的灭菌，从而进一步促进慢性伤口的愈合，同时减少了银离子过量摄取带来的毒性问题。此外，该药物可以实现低至300 个细菌的实时影像监测的超高灵敏度，并且至少可以实现8天以上长时间实时监控。以上结果说明，该纳米药物在影像监控下的临床感染疾病处理上具有较高的研究价值与临床转化前景。

周民团队何健与乔越为论文第一和共同第一作者。该工作得到了浙江大学医学院附属第二医院眼科中心姚克教授的帮助指导。研究工作得到了浙江大学眼科中心、浙江大学恶性肿瘤预警与干预教育部重点实验室、现代光学仪器国家重点实验室的大力支持，该研究也得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央军委滚球体育 委、中国博士后科学基金等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.119763