「科研快报」微生物代谢直接合成光敏细菌纤维素用于皮肤伤口愈合

原创Shen GZ 抗菌科技圈

第一作者：Xingang Liu

通讯作者：刘斌

通讯单位：新加坡国立大学

研究速览：

近期，新加坡国立大学刘斌教授在Advanced Materials 上发表了有关微生物代谢直接合成光敏性细菌纤维素（BC）并用于伤口愈合的工作。 BC是一种天然的、有前景的伤口敷料，通过物理吸附和化学方法，BC都已实现抗菌功能。然而，将杀菌活性物质有效且持久地掺入 BC 中仍然具有挑战性。在此，该工作探索了一种基于醋酸菌Komagataeibacter sucrofermentans 的原位合成方法，即在 TPEPy 修饰的葡萄糖（TPEPy-Glc）存在下，通过原位细菌代谢的方法制备光敏剂嫁接的BC （TPEPy-Glc-BC）。结果表明该方法赋予BC优异的荧光和光动力杀菌活性，可用于皮肤伤口敷料。

要点分析：

要点一：材料设计：在 TPEPy-Glc存在的情况下，通过原位细菌代谢来制备光敏剂嫁接的BC（TPEPy-Glc-BC），该创面敷料具有微生物代谢光控杀菌活性，可用于皮肤伤口愈合。

要点二：抗菌和伤口愈合性能：TPEPy-Glc-BC具有较好的活性氧（ROS）生成能力。在细菌接近BC表面时，接枝的光敏剂在光照下产生ROS，可以破坏生物分子，导致细菌死亡。同时， 小鼠伤口在TPEPy-Glc-BC治疗后12天后，创面完全恢复，BC组创面愈合率仅为68%。

要点三：生物相容性：TPEPy-Glc-BC是一种生物安全良好的伤口愈合材料，对小鼠的造血及代谢系统无明显影响且不影响免疫原性，对真核细胞具有良好的生物相容性。

图文导读

图1：功能性细菌纤维素的设计、结构与特性。（A）利用代谢途径和原位生物合成方法制备TPEPy-Glc-BC。（B）TPEPy-Glc-BC和BC生物合成过程的图像。（C）在白光下观察BC和TPEPy-Glc-BC图像。（D）BC和TPEPy-Glc-BC的荧光强度。（E）BC和TPEPy-Glc-BC的扫描电镜显微结构。（F）BC和TPEPy-Glc-BC的FT-IR光谱。（G）BC的X射线衍射（XRD）图谱。（H）TPEPy-Glc-BC和BC的热重（TGA）分析。

图2: TPEPy-Glc-BC的杀菌活性。（A）TPEPy-Glc-BC释放ROS的杀菌功能示意图。（B）水溶液中氧化形成DCF的荧光光谱。（C）用TPEPy-Glc-BC处理的DCFH的相对荧光强度与照射时间的关系图。（D）BC和TPEPy-Glc-BC处理大肠杆菌和金黄色葡萄球菌后的活菌和死菌成像。BC和TPEPy-Glc处理大肠杆菌(E)和金黄色葡萄球菌 (F)的菌落形成单元(CFU).（G）在TPEPy-Glc-BC上大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的扫描电镜图像。

图3:生物相容性试验。（A）细胞在BC和TPEPy-Glc-BC上的SEM图像。（B）BC和TPEPy-Glc-BC光照射下经FDA/PI染色的NIH-3T3细胞、HEK 293细胞和RAW 264.7细胞的荧光图像。（C）用MTT法分析置于BC和TPEPy-Glc-BC的NIH 3T3、HEK 293和RAW 264.7细胞活力。

图4: 体内伤口愈合应用。（A）不同敷料处理和光照处理后创面0、3、6、9、12天愈合照片。（B）愈伤组织大小。（C）创面愈合率。（D）伤后第3天、第6天、第9天、第12天处理创面组织细菌负荷。（E）代表性的H&E分别在植入后12天照射TPEPy-Glc-BC、BC和未处理的皮下植入创面敷料组织切片。

结论

该团队首次开发了一种通过微生物代谢生物合成系统直接制备抗菌创面的方法。TPEPy-Glc-BC不仅具有光控的抗菌性能，还具有生物相容性和有效的抗菌能力，可加速创面修复。本工作为利用微生物代谢合成光控杀菌BC用于伤口愈合提供了一种新方法。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202109010.

参考文献：Xingang Liu, Min Wu, Meng Wang, Qida Hu, Jingjing Liu, Yukun Duan, and Bin Liu*. Direct Synthesis of Photosensitizable Bacterial Cellulose as Engineered Living Material for Skin Wound Repair

Adv. Mater. 2022, 34, 2109010