撰文：高利增

纳米酶（Nanozymes）是具有类酶催化活性的纳米材料，属于新一代人工模拟酶。目前发现的纳米酶所模拟的酶活性主要集中于氧化还原酶系，比如氧化物酶，过氧化物酶，过氧化氢酶，超氧化物歧化酶等，具有调节活性氧的能力（图 1A）。高利增博士及其他研究人员早期工作发现氧化铁纳米酶（Iron oxide nanozyme, IONzymes）具有过氧化物酶和过氧化氢酶活性，前者在酸性条件下把双氧水转变为羟基自由基，具有增强ROS的作用[1, 2]；后者在中性条件下把双氧水分解为氧气和水，具有清除ROS的作用。这种对ROS的调控能力和类酶催化活性极大的拓展氧化铁纳米酶在体内外的应用。

图1. 纳米酶调节ROS及细胞内杀菌原理。（A）纳米酶具有多种类酶活性可以调节活性氧用于杀菌。（B）

纳米酶在抗菌和微生物检测方面都展现出了较好的效果。比如，氧化铁纳米酶介导的检测方法可以用于细菌快速检测，与磁性结合可以构建纳米酶试纸条用于埃博拉病毒等致病微生物高灵敏检测。更为重要的是，氧化铁纳米酶可以杀死多种形式的耐药菌，包括携带耐药基因突变的浮游菌和形成生物（被）膜（Biofilm）的细菌，其机理是通过过氧化物酶活性在酸性溶液中催化双氧水产生自由基杀死细菌。尤其是细菌生物膜具有独特的酸性微环境，有利于过氧化物酶活性的发挥，当产生足够多的自由基时，可以降解细菌生物（被）膜（Biofilm）基质中的蛋白，多糖和核酸等生物大分子，有效破坏基质结构[3-5]，进而杀死内部躲藏的细菌。

但是细菌耐药的形式除了获得耐药基因突变和形成生物膜之外，有些细菌还能躲藏在宿主细胞内，避开抗生素的杀伤。免疫防御系统通常通过免疫细胞被入侵病原菌内吞进入溶酶体，利用溶酶体内的氧化物酶、过氧化物酶等产生活性氧自由基杀死细菌（图1B）。但是有些细菌对ROS抵抗力比较强，可以在宿主免疫细胞和正常细胞内长时间生存，造成抗生素染治疗失效和感染复发。其中比较典型的是沙门氏菌，它是一种全球性的重要的人畜共患病食源性致病菌，可导致人和动物的感染致病和死亡。作为一种兼性胞内菌，沙门氏菌能够侵入宿主细胞内存活，逃逸宿主免疫系统，同时也能够逃脱大部分传统抗生素的杀菌作用引起抗生素耐药。然而，目前能够消除细胞内沙门氏菌的有效方法仍然非常有限。

针对胞内菌感染产生的耐药形式，扬州大学医学院高利增教授团队通过与中国农业科学院家禽研究所施寿荣副研究员合作，提出了利用氧化铁纳米酶增强宿主细胞内ROS进而杀死胞内菌的策略[6]，其中氧化铁纳米酶借助细胞溶酶体内酸性环境发挥过氧化物酶活性（图2），这与免疫细胞内吞杀死细菌原理极为相似，因此纳米酶这一杀菌机制有效模拟了机体免疫防御。

图2. 纳米酶杀死细胞内沙门氏菌的过程和机理。

为了验证这一假设，研究人员分别在体外直接杀菌、细胞内抑菌、和动物体内抗菌三个层面进行了测试。首先通过体外抑菌试验研究发现IONzymes可降低肠炎沙门氏菌（S. Enteritidis）感染，细菌形态学检查也证实其破坏了细菌形态结构。其次，细胞实验显示IONzymes可显著抑制细胞内S .Enteritidis的增殖，同时对细胞活性无显著影响。为探究其抑菌机制，研究人员采用荧光共定位技术和透射电镜成像发现沙门氏菌感染引起强烈的细胞自噬，而胞内大多数IONzyme 与S. Enteritidis共定位到自噬小体内；活性氧检测结果显示IONzymes显著提高细胞内ROS水平，如果抑制细胞自噬和ROS， IONzymes的抑菌效率均显著降低。最后，研究人员通过鸡动物体内实验进行了验证，发现胃服氧化铁纳米酶能够有效降低沙门氏菌在肝组织内的感染（图3），抑菌、ROS和自噬等结果均与细胞实验结果一致，非靶向转录组学结果也验证了IONzymes作用后可改变细胞自噬和氧化还原相关通路。上述实验结果揭示了IONzymes抑制S. Enteritidis的作用机制：沙门氏菌感染引起自噬，同时IONzymes能够进入自噬泡内并借用自噬泡内的酸性环境，发挥类过氧化物酶活性，提高胞内ROS水平抑制S. Enteritidis的活性。

图3. 氧化铁纳米酶胃服小鸡抑制肝内沙门氏菌活性。

（A）氧化铁纳米酶胃服小鸡动物实验示意图。（B）氧化铁纳米酶有效抑制肝内沙门氏菌活性。（C）沙门氏菌感染诱导肝内细胞自噬。（D）氧化铁纳米酶提高肝内细胞ROS水平。

该研究为清除隐藏在宿主细胞内逃避宿主免疫系统和抗菌药物治疗的顽固性细菌感染提供了一种新的防治策略。纳米氧化铁具有高生物相容性和环境安全性，易于大规模制备，并且成本低，可作为控制沙门氏菌感染的一种潜在的抗生素替代物。这是继该团队发现氧化铁纳米酶抗铜绿假单胞菌及其生物膜、清除口腔变异链球菌生物膜和防治龋齿之后，进一步将纳米酶拓展到抗胞内菌感染方面的应用。这一新发现表面纳米酶可以应对防御多种耐药形式的细菌，而且这种酶催化抗菌方式与机体免疫细胞吞噬杀菌原理具有相似性，可以辅助增强或模拟免疫杀菌机制。

该工作发表在医学1区学术期刊Theranostics，并被选为杂志内页封面。扬州大学医学院的高利增教授和中国农业科学院家禽研究所的施寿荣副研究员为该文章的共同通讯作者。

原文链接：http://www.thno.org/v08p6149

[1] Gao LZ, Zhuang J, Nie L, Zhang JB, Zhang Y, Gu N, et al. Intrinsic peroxidase-like activity of ferromagnetic nanoparticles. Nature nanotechnology 2007;2:577-83.

[2] Gao LZ, Fan KL, Yan XY. Iron Oxide Nanozyme: A Multifunctional Enzyme Mimetic for Biomedical Applications. Theranostics 2017;7:3207-27.

[3] Gao LZ, Giglio KM, Nelson JL, Sondermann H, Travis AJ. Ferromagnetic nanoparticles with peroxidase-like activity enhance the cleavage of biological macromolecules for biofilm elimination. Nanoscale 2014;6:2588-93.

[4] Gao LZ, Koo H. Do catalytic nanoparticles offer an improved therapeutic strategy to combat dental biofilms? Nanomedicine-Uk 2017;12:275-9.

[5] Gao LZ, Liu Y, Kim D, Li Y, Hwang G, Naha PC, et al. Nanocatalysts promote Streptococcus mutans biofilm matrix degradation and enhance bacterial killing to suppress dental caries in vivo. Biomaterials 2016;101:272-84.

[6] Shi SR, Wu S, Shen YR, Zhang S, Xiao YQ, He X, et al. Iron oxide nanozyme suppresses intracellular Salmonella Enteritidis growth and alleviates infection in vivo. Theranostics 2018;8:6149-62.