《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Copper-Doped Carbon Dots Nanozymes with Dual Peroxidase/Catalase Activities for Synergistic ROS-Mediated Ultra-Potent MRSA Eradication and Wound Healing
编辑推荐：
光明宝|邱玉张|蔡志强|张月瑶|赵凯|梁欣怡|穆萨·布拉希姆·伊德里斯|王梦凯|吴家慧|郑梅娥|何立格|陈佩瑶|赵玉石|袁后群发酵工程国家重点实验室（教育部）、国家“111”细胞调控与分子药学研究中心、湖北工業微生物學重點實驗室、湖北科技大學生命與健康科學學院，武漢430068，
光明宝|邱玉张|蔡志强|张月瑶|赵凯|梁欣怡|穆萨·布拉希姆·伊德里斯|王梦凯|吴家慧|郑梅娥|何立格|陈佩瑶|赵玉石|袁后群
发酵工程国家重点实验室（教育部）、国家“111”细胞调控与分子药学研究中心、湖北工業微生物學重點實驗室、湖北科技大學生命與健康科學學院，武漢430068，中國
摘要
耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）感染对全球公共卫生构成威胁，需要创新的无需抗生素的抗菌策略来克服传统治疗的局限性。本文采用一种简单的一步水热法合成了掺铜碳点（Cu-CDs），这些碳点同时具有类似过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的纳米酶活性。体外抗菌实验表明，Cu-CDs在低浓度下即可有效杀灭MRSA，其最小杀菌浓度（MBC）为1.0 μg/mL（单独使用）或0.25 μg/mL（与H?O?结合使用），其抗菌效果是万古霉素的2048倍。机制研究揭示了四阶段的协同杀菌过程：（i）静电吸附/生物膜破坏；（ii）活性氧（ROS）介导的细胞膜损伤；（iii）细胞内·OH生成及Cu?诱导的细菌DNA断裂；（iv）代谢/抗氧化系统的崩溃，从而导致耐药基因（mecA）和细胞分裂基因的功能失调。Cu-CDs具有优异的生物相容性（在150 μg/mL浓度下L929细胞的存活率超过95%；在50 μg/mL浓度下溶血率低于5%）。在MRSA感染的小鼠伤口实验中，Cu-CDs与H?O?联合使用后，7天内伤口愈合率约为92%，表皮完整且无器官病变。本研究证实了Cu-CDs作为无需抗生素治疗MRSA的高性能纳米酶平台的潜力，推动了纳米酶的临床应用。
引言
细菌感染是全球公共卫生的主要威胁[1]。抗生素的发现和应用显著降低了死亡率。然而，在过去的半个世纪中，抗生素的不合理使用——包括农业领域的过度使用、临床过量用药或长时间治疗，以及不适当的预防性使用——引发了细菌耐药性的急剧上升[2]。其中，耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）已成为耐药细菌感染的“重灾区”：全球临床监测数据显示，医院获得性感染中MRSA的分离率高达30%-50%[3],[4],[5]。MRSA不仅对所有β-内酰胺类抗生素具有耐药性，更严重的是，它还能分泌胞外聚合物（EPS）形成致密的生物膜。生物膜不仅阻碍抗生素的渗透，还能保护细菌免受宿主免疫系统的清除，从而导致慢性感染和伤口愈合延迟，给临床治疗带来了巨大挑战[6],[7]。
在MRSA感染的治疗中，万古霉素长期以来一直扮演着“最后一道防线”的角色[8]。特别是对于多重耐药的MRSA感染，它曾是最有效的临床选择。然而，近年来，万古霉素中介导型MRSA（VISA）的检出率逐年上升[9]，且全球多地报告了耐万古霉素型MRSA（VRSA）感染病例[10]，这完全突破了现有的治疗手段。值得注意的是，我们的实验表明万古霉素可使MRSA的最低抑菌浓度（MIC）升高1025倍[11]，凸显了这种病原体耐药性的快速演变和严重性。一旦这类耐药菌株在医疗环境中传播，MRSA感染将陷入“无药可治”的绝望境地。更为值得注意的是，传统抗生素通常具有“单一作用靶点”的局限性：例如，β-内酰胺类抗生素作用于细菌细胞壁合成，而喹诺酮类药物则抑制DNA旋转酶[12]。这种“单点攻击”使得细菌可以通过基因突变迅速产生耐药性；同时，大多数抗生素难以穿透MRSA生物膜，也无法有效清除已形成的生物膜感染灶，从而进一步限制了它们的治疗效果。因此，开发出“不依赖抗生素、具有多重抗菌活性和能清除生物膜”的新策略已成为应对MRSA感染危机的核心方向。
作为兼具纳米材料特性和酶样催化活性的功能材料，纳米酶为抗菌研究提供了新的思路[13]。与传统抗生素相比，纳米酶在温和条件下能通过模拟天然酶（如过氧化物酶和过氧化氢酶）的催化作用高效生成活性氧（ROS），通过氧化破坏细菌的多个靶点（如细胞膜、DNA和蛋白质）来发挥抗菌效果[14]。此外，其“多靶点攻击”模式大大降低了细菌产生耐药性的风险；同时，纳米酶的尺寸效应（1-100 nm）使它们能够穿透生物膜并直接作用于膜内的细菌。在众多纳米酶中，基于碳的纳米酶[15]因其低毒性、高化学稳定性和表面可修饰性而备受关注。然而，传统的基于碳的纳米酶（如碳纳米管[16]和氧化石墨烯[17]）存在明显缺陷——碳纳米管容易在细胞内积聚并引起氧化应激，而氧化石墨烯的锐利边缘结构会破坏细胞膜的完整性，这些都不符合临床生物安全的要求。作为新兴的碳纳米材料，碳点（CdS）不仅具有优异的生物相容性、低溶血毒性和良好的水溶性，其表面还富含羟基和羧基等官能团，通过元素掺杂可以精确调节活性位点，使其成为构建高性能抗菌纳米酶的理想载体[18],[19],[20],[21],[22]。
铜作为人体必需的微量元素，既具有天然的抗菌活性，又具有类酶的催化潜力：Cu?可以通过破坏细菌细胞膜的完整性、干扰细胞内酶活性和DNA复制来发挥抗菌作用[23],[24]。此外，基于铜的材料可以模拟过氧化物酶和过氧化氢酶的活性，促进ROS的生成从而增强抗菌效果[25],[26]。将铜掺入碳点中制备成掺铜碳点（Cu-CDs），可以实现“碳点的生物相容性”与“铜的抗菌/酶样活性”的结合：一方面，碳点的骨架结构可以固定Cu?，避免游离Cu?的细胞毒性并实现Cu?的控释；另一方面，铜与碳点表面的氮/氧元素形成的配位键可作为活性中心，显著提升酶样催化效率。同时，碳点的纳米尺寸（1-10 nm）有助于它们穿透MRSA生物膜并在细菌细胞表面富集，进一步增强抗菌效果。
本研究旨在通过简单的一步水热法合成掺铜碳点纳米酶（Cu-CDs），并对其抗菌性能进行系统的表征和评估。研究结果为Cu-CDs作为高效且安全的抗MRSA纳米酶提供了坚实的实验和理论基础，为临床解决耐药细菌感染问题及开发下一代智能抗菌材料开辟了新途径。
章节节选
Cu-CDs的合成与结构表征
使用三聚氰胺、α-环糊精和铜前驱体，通过一步水热反应合成了粒径均匀的纳米颗粒，平均侧径为2.7 nm（图1c），通过透射电子显微镜（TEM）证实。高分辨率TEM（HR-TEM）显示晶格间距为0.19 nm（图1b），与石墨碳的(100)晶面一致，证实了其类似石墨的晶体结构[27],[28]。原子力显微镜（AFM）图像
总结
总之，通过简单的一步水热法成功合成了具有双重POD和CAT催化活性的掺铜碳点纳米酶（Cu-CDs）。在低H?O?条件下，Cu-CDs能有效生成多种ROS（·OH、·O??、1O?），其最小杀菌浓度（MBC）为0.25 μg/mL（Cu-CDs + H?O?），抗菌效果是万古霉素的2048倍。其四阶段的协同杀菌机制包括静电吸附和生物膜破坏
伦理批准与参与同意
所有动物实验均按照湖北科技大学的实验室动物护理和使用指南进行，并获得了HBUT动物伦理委员会（批准编号：20250023）的批准。
数据可用性声明
本研究的数据可应合理要求向相应作者索取。
CRediT作者贡献声明
梁欣怡：实验研究。赵凯：实验研究。王梦凯：实验研究。穆萨·布拉希姆·伊德里斯：实验研究。郑梅娥：软件开发、方法学设计。吴家慧：实验研究。陈佩瑶：数据分析。光明宝：论文撰写、审稿与编辑、项目管理。何立格：数据分析。赵玉石：实验研究。张月瑶：数据分析、数据管理。袁后群：论文撰写、审稿与编辑、资金筹措。蔡志强：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：22166018、22165012、22304049、31960720）、湖北科技大学的自然科学基金（项目编号：XJ2022007801）、发酵工程国家重点实验室（教育部）的开放项目资助（项目编号：202409FE20）、湖北工程学院特色果蔬质量控制重点实验室（项目编号：2025K005），以及药物分析重点实验室的支持。
