氢键有机框架纳米酶的制备及其靶向抗菌应用

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.250378

摘要/Abstract

摘要：

本文构建了一种选择性治疗的氢键有机框架纳米酶（Pro@HOF@apt-Cu）：通过常规法合成了具有过氧化物酶活性的铁卟啉氢键有机框架（FeTCPP-HOF），并在其表面修饰了通过DNA模板原位生长约5 nm的铜纳米颗粒（CuNPs）和靶向革兰氏阴性菌脂多糖（LPS）的核酸适配体。 FeTCPP-HOF表现出优异的类过氧化物酶（POD）活性，不仅能在感染部位高H₂O₂环境中通过催化产生高毒性羟基自由基（·OH）破坏细菌细胞膜，还可将CuNPs表面的Cu（0）氧化为Cu（Ⅰ），增强生物正交催化效率。适配体介导的主动靶向使Pro@HOF@apt-Cu对LPS的识别显著强于非靶向组，抗菌效果有效提升。此外，HOF固有的孔道结构实现了前药的有效负载与原位激活，降低了脱靶毒性并增强治疗效果。更重要的是，Pro@HOF@apt-Cu处理7 d能够有效清除小鼠植入导管及伤口的生物膜，并促进伤口愈合。该协同治疗策略为革兰氏阴性菌感染提供了一种新的治疗方案。

关键词: 氢键有机框架, 生物正交, 纳米酶, 抗菌应用

Abstract:

Bacterial infection poses a significant hazard to public health and life. Antibiotic therapy can readily result in multidrug resistance. Despite significant efforts to enhance the effectiveness of current antibiotics or create new ones， bacteria's innate capacity to develop resistance has outpaced the rate of antibiotic development. This suggests that attempts to create sustainable antimicrobial treatments are ultimately destined to be unsuccessful. Herein， a selective therapeutic HOFzyme （Pro@HOF@apt-Cu） based on DNA-templated ultrasmall CuNPs grafted on peroxidase-mimicking FeTCPP-based HOF targeting lipopolysaccharide （LPS） is presented. FeTCPP-based HOF exhibit excellent POD-like activity， being not only able to catalyze the generation of more toxic hydroxyl radicals from H₂O₂ in the infection-rich microenvironment to disrupt the bacterial periplasm， but also able to oxidize surface Cu（0） to Cu（Ⅰ）， thus boosting the bioorthogonal catalytic activity. The conjugation of the HOF with aptamer allows for active targeting of LPS on the surface of gram-negative bacteria. The antibacterial action of these HOFzymes is observably more significant than non-targeted treatment. Moreover， the inherent pores of HOF facilitated the loading of prodrugs， which realized effective drug delivery and in situ synthesis， greatly reduced off-target toxicity and enhanced therapeutic effects. Overall， this synergistic therapeutic strategy shows promising potential as a future treatment for infections caused by gram-negative bacteria.

Key words: Hydrogen-bonded organic framework, Bioorthogonal, Nanozyme, Antibacterial applications

中图分类号:

O614

陈礼, 赵传奇. 氢键有机框架纳米酶的制备及其靶向抗菌应用[J]. 应用化学, 2026, 43(2): 195-207.

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图/表 7

图示1 （A） Pro@HOF@apt-Cu的合成路径；（B） Pro@HOF@apt-Cu在体内治疗植入物相关感染

表1 实验中使用的寡核苷酸序列

Table 1 Oligonucleotids used in the experiment

Name	Sequence
NH₂（CH₂）₆-Linker	NH₂（CH₂）₆-CAACATCATCAACAC
Linker-T30-LPS	GTTGTAGTAGTTGTGTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTCCTTCTAACAGAATGTTGTTAGATAGC
Linker-T30-LPS-FAM	GTTGTAGTAGTTGTGTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTCCTTCTAACAGAATGTTGTTAGATAGC-FAM
Linker-T30-WA	GTTGTAGTAGTTGTGTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT

图1 （A） Pro@HOF@apt-Cu的SEM图像（比例尺=300 nm）；（B） HOF、Pro@HOF、HOF@apt-Cu和Pro@HOF@apt-Cu的Zeta电位；（C） Pro@HOF@apt-Cu、Pro@HOF和HOF的水合粒径；（D） Pro@HOF@apt-Cu、HOF@apt-Cu和HOF的PXRD谱图；（E） Pro@HOF@apt-Cu和HOF的FT-IR谱图；（F） Pro@HOF和Pro@HOF@apt-Cu-FAM的荧光光谱

Fig.1 （A） SEM image of Pro@HOF@apt-Cu （scale bar， 300 nm）；（B） Zeta potential of HOF， Pro@HOF， HOF@apt-Cu and Pro@HOF@apt-Cu；（C） DLS curves of Pro@HOF@apt-Cu， Pro@HOF and HOF；（D） PXRD patterns of Pro@HOF@apt-Cu， HOF@apt-Cu and HOF；（E） FT-IR specta of Pro@HOF@apt-Cu and HOF；（F） Fluorescence spectra of Pro@HOF and Pro@HOF@apt-Cu-FAM

图2 （A）不同时间TMB的吸收值； HOF@apt-Cu（20 μg/mL）的（B） Michaelis-Menten拟合曲线和（C）对应的Lineweaver-Burk拟合曲线；（D）溶液中染料生成的生物正交示意图；（E） HOF@apt-Cu在水中催化CuAAC反应的荧光光谱。在样品1和样品2中分别加入HOF@apt-Cu和HOF@apt-Cu+H2O2，反应30 min，得到荧光光谱

Fig.2 （A） Absorbance of TMB solution with different times；（B） Michaelis-Menten fitting and （C） the associated Lineweaver-Burk fitting curves of HOF@apt-Cu （20 μg/mL）；（D） Schematic representation of the bioorthogonal generation of dyes in solution；（E） Fluorescence spectra of the HOF@apt-Cu-catalyzed CuAAC reaction in water. The spectra were obtained by introducing HOF@apt-Cu and HOF@apt-Cu+H2O2 to samples 1 and 2， respectively， and allowing them to react for 30 min

图3 （A）大肠杆菌和（B）金黄色葡萄球菌对应（C）琼脂板细菌菌落的存活率；（C）经过不同处理后，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的菌落照片；（D）不同处理后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的SEM图像

Fig.3 Survival rates of E.coli （A） and S.aureus （B） corresponding to （C） bacterial colonies on agar plates；（C） Photos of bacterial colonies consisting of S.aureus and E.coli after different treatments；（D） SEM images of S.aureus and E.coli samples after different treatments

图4 （A）结晶紫染色法测量OD590的大肠杆菌生物被膜量化图和（B）结晶紫染色图像，不同处理组：（1）对照，（2）Pro@HOF@apt-Cu，（3）HOF@apt-Cu+H2O2，（4）Pro@HOF+H2O2，（5）Pro@HOF@apt-Cu+H2O2；（C）生物被膜的活/死染色荧光成像；（D）生物被膜的三维共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）成像

Fig.4 Crystal violet-stained biofilm biomass determined by measuring OD590 （A） and related crystal violet staining pictures （B） treated with different groups：（1） Control，（2） Pro@HOF@apt-Cu，（3） HOF@apt-Cu，（4） Pro@HOF+H2O2，（5） Pro@HOF@apt-Cu+H2O2；（C） Live/dead staining images of biofilms， scale bar， 100 μm；（D） 3D CLSM pictures of biofilms under various treatment settings

图5 不同治疗后的小鼠照片（A）和小鼠植入部位的放大照片（B）；（C）植入部位的H&E染色组织学显微照片；（D）不同治疗后植入导管的SEM图，比例尺=2 μm，插图为取出的导管照片

Fig.5 （A） Pictures of mice and （B） magnification photographs of mice after different treatments；（C） Histology images of the wound tissue at the implanted location stained with hematoxylin and eosin；（D） SEM pictures of embedded catheters after different treatments， the embedded catheters were shown in the inset photos， scale bar， 2 μm

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