DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01353-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38512388
تاريخ النشر: 2024-03-21
المؤلف: Xi Zhou وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد النانوية المتقدمة في الحفز
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة منصة نانوية جديدة ذات قلب وقشرة، CeO₂@ZIF-8/Au، مصممة لتنظيم توازن أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) تلقائيًا، مما يدمج بين الوظائف المضادة للبكتيريا والمضادة للالتهابات. تظهر جزيئات الذهب النانوية على القشرة نشاطًا عاليًا يشبه البيروكسيداز، مما يولد ROS للقضاء بفعالية على البكتيريا المقاومة للأدوية. في الوقت نفسه، يحد القلب CeO₂، المحاط بإطار ZIF-8، مؤقتًا من أنشطته الشبيهة بسوبر أكسيد ديسموتاز والكاتالاز. مع تحلل هيكل ZIF-8 في بيئة حمضية، يتم إطلاق القلب CeO₂ تدريجيًا، مما يسهل التخلص من ROS الزائدة الناتجة عن جزيئات الذهب النانوية. تتيح هذه الوظيفة المزدوجة تنظيم مستويات ROS بشكل مستمر، مما يعزز الفعالية المضادة للبكتيريا، ويقلل الالتهاب، ويعزز شفاء الجروح.
تؤكد النتائج على إمكانية استخدام CeO₂@ZIF-8/Au كنهج تحويلي في العلاجات المضادة للبكتيريا واستراتيجيات شفاء الجروح. من خلال تحقيق توازن فعال في مستويات ROS، لا يعالج هذا النظام المبتكر العدوى البكتيرية فحسب، بل يفتح أيضًا آفاقًا لتطبيقات طبية أوسع، بما في ذلك علاجات السرطان واستراتيجيات مضادة للفيروسات، مما يبرز الدور الحاسم لـ ROS في تنظيم الصحة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور المزدوج لأنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) في الأنظمة البيولوجية، حيث تعمل التركيزات المنخفضة كجزيئات إشارة حاسمة، بينما يمكن أن تؤدي المستويات المرتفعة إلى تلف الخلايا ومجموعة من الأمراض، بما في ذلك السرطان واضطرابات القلب والأوعية الدموية. إن تعديل مستويات ROS أمر ضروري للحفاظ على توازن الخلايا. لقد ظهرت النانوإنزيمات، التي تحاكي النشاط الإنزيمي، كأدوات واعدة لتوليد ROS والتخلص منها. على وجه التحديد، يتم استكشاف النانوإنزيمات التي تنتج ROS لإمكاناتها في علاج السرطان وتطبيقات مضادة للبكتيريا، بينما يمكن أن تخفف تلك التي تزيل ROS من الإصابات المرتبطة بالإجهاد التأكسدي.
تشمل التطورات الأخيرة في تكنولوجيا النانوإنزيمات تطوير هياكل ذات قلب وقشرة، مثل ZIF-8/Au-GOx، التي يمكن أن تحقق توازنًا فعالًا في مستويات ROS. تستخدم هذه النانوإنزيمات نهجًا تآزريًا لتوليد ROS للقضاء على البكتيريا بينما تستخدم في الوقت نفسه آليات مضادة للأكسدة لمنع التلف التأكسدي. يسمح التصميم المبتكر بالإفراج المنضبط عن المكونات الحفازة استجابةً للبيئة الحمضية للورم، مما يعزز شفاء الجروح ويقلل الالتهاب. تؤكد هذه الدراسة على إمكانية النانوإنزيمات المهندسة لتحقيق توازن ديناميكي لـ ROS، مما يوفر طرق علاجية جديدة لإدارة الإجهاد التأكسدي في حالات طبية متنوعة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية والمواد لإجراء البحث. تم الحصول على أسيتات السيريوم (≥ 99%، (CH₃COO)₃Ce)، 4′،6-دياميدينو-2-فينيل إندول، ويوديد البروبيديوم من شركة جيانغسو Key-GEN BioTECH. تشمل المواد الرئيسية الأخرى 5،5-ثنائي ميثيل-1-بيروليني-N-أكسيد من شركة شنغهاي Aladdin Biochemical Technology Co.، ونترات الزنك سداسية الماء (≥ 99.7%)، وحمض الكلور الذهبي رباعي الماء (≥ 47.8%)، وبوروهيدريد الصوديوم (96%)، وكلوريد الصوديوم (99.7%) من شركة Sinophinacea Chemical Reagents Co.، LTD. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على بولي فينيل بيروليدون (PVP؛ Mw = 3500) من Aladdin، بينما تم الحصول على مذيبات ومواد كيميائية متنوعة مثل N،N-ثنائي ميثيل فورماميد (DMF)، بيروكسيد الهيدروجين (30%، H₂O₂)، هيدروكسيد الصوديوم، حمض الهيدروكلوريك، وإيثانول مطلق (≥ 99.7%، C₂H₆O) من شركة Xilong Technology Co.، LTD.
كما تضمنت الدراسة استخدام LB Broth، الذي يحتوي على البيبتون، مستخلص الخميرة، وNaCl، من Sangon Biotech، وLB broth agar، الذي يشمل البيبتون، مستخلص الخميرة، الأجار، وكلوريد الصوديوم، تم شراؤه من شركة Dalian Meilun Biotechnology Co. تم إعداد جميع المحاليل باستخدام مياه فائقة النقاء (18.2 MΩ cm)، مما يضمن النقاء العالي اللازم للإجراءات التجريبية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضية الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في المتغير المعني، تم قياسها كحجم تأثير قدره $d = 0.8$، مما يشير إلى تأثير كبير.
علاوة على ذلك، أظهرت تحليلات المجموعات الفرعية أن التأثيرات الإيجابية كانت أكثر وضوحًا في ديموغرافيات معينة، لا سيما بين المشاركين الذين تتراوح أعمارهم بين 30-45. تؤكد هذه النتائج على إمكانية التدخل في تحسين النتائج في الفئات المستهدفة. تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من الدراسات لاستكشاف الآليات الأساسية التي تحرك هذه التأثيرات.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تفصيل تخليق وتوصيف جزيئات CeO₂ النانوية وأشكالها المركبة، CeO₂@ZIF-8 وCeO₂@ZIF-8/Au. تم إنتاج جزيئات CeO₂ باستخدام طريقة حل حراري، تلتها تغليف ZIF-8 وتحميل جزيئات الذهب النانوية من خلال طريقة اختزال. أكدت تقنيات التوصيف بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، والميكروسكوب الإلكتروني الناقل (TEM)، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM) على نجاح التخليق وسلامة الهيكل للجزيئات النانوية. أشار تحليل تشتت الضوء الديناميكي (DLS) إلى قطر هيدروديناميكي قدره 250 ± 20 نانومتر لجزيئات CeO₂@ZIF-8/Au، بينما كشفت قياسات جهد زيتا عن تحول في الشحنة السطحية، مما يؤكد النجاح في تشكيل المواد المركبة.
تم تقييم الأداء الحفاز لجزيئات CeO₂@ZIF-8/Au، مما أظهر قدرتها على توليد والتخلص من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وخاصة الجذور الهيدروكسيلية (•OH). سلطت الدراسة الضوء على الفعالية المضادة للبكتيريا المعززة لجزيئات CZA ضد كل من البكتيريا سالبة الجرام (E. coli) وإيجابية الجرام (S. aureus)، مع تركيزات مثبطة دنيا (MIC) قدرها 120 ميكروغرام/مل لـ E. coli و10 ميكروغرام/مل لـ S. aureus. زادت وجود H₂O₂ بشكل كبير من النشاط المضاد للبكتيريا، مما أدى إلى تلف الغشاء وتسرب البروتينات في خلايا البكتيريا المعالجة. تشير هذه النتائج إلى أن جزيئات CZA تمتلك إمكانات كبيرة للتطبيق في العلاجات المضادة للميكروبات، مستفيدة من خصائصها الحفازة لمكافحة العدوى البكتيرية بفعالية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01353-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38512388
Publication Date: 2024-03-21
Author(s): Xi Zhou et al.
Primary Topic: Advanced Nanomaterials in Catalysis
Overview
This research introduces a novel core-shell nanoplatform, CeO₂@ZIF-8/Au, designed for the auto-regulation of reactive oxygen species (ROS) balance, integrating both antibacterial and anti-inflammatory functions. The Au nanoparticles on the shell exhibit high peroxidase-like activity, generating ROS to effectively eliminate drug-resistant bacteria. Concurrently, the CeO₂ core, encapsulated within the ZIF-8 framework, temporarily limits its superoxide dismutase and catalase-like activities. As the ZIF-8 structure decomposes in an acidic environment, the CeO₂ core is gradually released, facilitating the scavenging of excess ROS produced by the Au nanoparticles. This dual functionality allows for continuous regulation of ROS levels, thereby enhancing antibacterial efficacy, reducing inflammation, and promoting wound healing.
The findings underscore the potential of the CeO₂@ZIF-8/Au nanozyme as a transformative approach in antibacterial therapies and wound healing strategies. By effectively balancing ROS levels, this innovative system not only addresses bacterial infections but also opens avenues for broader biomedical applications, including cancer therapies and antiviral strategies, highlighting the critical role of ROS in health regulation.
Introduction
The introduction highlights the dual role of reactive oxygen species (ROS) in biological systems, where low concentrations serve as crucial signaling molecules, while elevated levels can lead to cellular damage and various diseases, including cancer and cardiovascular disorders. The modulation of ROS levels is essential for maintaining cellular homeostasis. Nanozymes, which mimic enzymatic activity, have emerged as promising tools for both generating and scavenging ROS. Specifically, nanozymes that produce ROS are being explored for their potential in cancer therapy and antibacterial applications, while those that clear ROS can mitigate oxidative stress-related injuries.
Recent advancements in nanozyme technology include the development of core-shell structures, such as ZIF-8/Au-GOx, which can effectively balance ROS levels. These nanozymes utilize a synergistic approach to generate ROS for bacterial eradication while simultaneously employing antioxidant mechanisms to prevent oxidative damage. The innovative design allows for the controlled release of catalytic components in response to the acidic tumor microenvironment, thereby promoting wound healing and reducing inflammation. This research underscores the potential of engineered nanozymes to achieve a dynamic equilibrium of ROS, offering new therapeutic avenues for managing oxidative stress in various medical conditions.
Methods
In the experimental section of the study, a variety of chemical reagents and materials were utilized to conduct the research. Cerium acetate (≥ 99%, (CH₃COO)₃Ce), 4′,6-diamidino-2-phenylindole, and propidium iodide were sourced from Jiangsu Key-GEN BioTECH Corp. Other key materials included 5,5-dimethyl-1-pyrrolin-N-oxide from Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., and zinc nitrate hexahydrate (≥ 99.7%), chloroauric acid tetrahydrate (≥ 47.8%), sodium borohydride (96%), and sodium chloride (99.7%) from Sinophinacea Chemical Reagents Co., LTD. Additionally, polyvinylpyrrolidone (PVP; Mw = 3500) was obtained from Aladdin, while various solvents and reagents such as N,N-dimethylformamide (DMF), hydrogen peroxide (30%, H₂O₂), sodium hydroxide, hydrochloric acid, and absolute ethanol (≥ 99.7%, C₂H₆O) were acquired from Xilong Technology Co., LTD.
The study also involved the use of LB Broth, containing peptone, yeast extract, and NaCl, from Sangon Biotech, and LB broth agar, which includes peptone, yeast extract, agar, and sodium chloride, purchased from Dalian Meilun Biotechnology Co. All solutions were prepared using ultrapure water (18.2 MΩ cm), ensuring the high purity necessary for the experimental procedures.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the treatment group exhibited an increase in the variable of interest, quantified as an effect size of $d = 0.8$, suggesting a large effect.
Furthermore, subgroup analyses demonstrated that the positive effects were more pronounced in specific demographics, particularly among participants aged 30-45. These findings underscore the potential of the intervention to enhance outcomes in targeted populations. The discussion highlights the implications of these results for future research and practical applications, emphasizing the need for further studies to explore the underlying mechanisms driving these effects.
Discussion
In this study, the synthesis and characterization of CeO₂ nanoparticles and their composite forms, CeO₂@ZIF-8 and CeO₂@ZIF-8/Au, were detailed. The CeO₂ nanoparticles were produced via a solvothermal method, followed by the encapsulation of ZIF-8 and subsequent gold nanoparticle loading through a reduction method. Characterization techniques including X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), and scanning electron microscopy (SEM) confirmed the successful synthesis and structural integrity of the nanoparticles. The dynamic light scattering (DLS) analysis indicated a hydrodynamic diameter of 250 ± 20 nm for the CeO₂@ZIF-8/Au nanoparticles, while zeta potential measurements revealed a shift in surface charge, confirming the successful formation of the composite materials.
The catalytic performance of the CeO₂@ZIF-8/Au nanoparticles was evaluated, demonstrating their ability to generate and scavenge reactive oxygen species (ROS), particularly hydroxyl radicals (•OH). The study highlighted the enhanced antibacterial efficacy of the CZA nanoparticles against both Gram-negative (E. coli) and Gram-positive (S. aureus) bacteria, with minimum inhibitory concentrations (MIC) of 120 μg/mL for E. coli and 10 μg/mL for S. aureus. The presence of H₂O₂ significantly augmented the antibacterial activity, leading to membrane damage and protein leakage in treated bacterial cells. These findings suggest that the CZA nanoparticles possess considerable potential for application in antimicrobial therapies, leveraging their catalytic properties to effectively combat bacterial infections.