CN114146189B - 一种pH响应长余辉纳米酶MSPLNP-Au-CB的应用 - Google Patents

一种pH响应长余辉纳米酶MSPLNP-Au-CB的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种pH响应长余辉纳米酶MSPLNP‑Au‑CB的应用，用于胃酸环境中pH响应杀菌，包含以下步骤：将细菌悬液和MSPLNP‑Au‑CB在SGF溶液中混合孵育，再取混合液加入细菌的BHI液体培养基中，置于培养箱中培养，测定培养液A在600纳米处的吸光度；将细菌悬液和MSPLNP‑Au‑CB在pH 2.0～7.0的液体培养基中培养，得到培养液B，再测定培养液B在600纳米处的吸光度；再取培养液B，梯度稀释后于哥伦比亚血琼脂平板上涂板，置于三气培养箱培养5‑7天后观察菌落生长情况；通过细菌在pH2.0～7.0的液体培养基中的相对存活率来证明MSPLNP‑Au‑CB的pH响应杀菌能力。

Description

一种pH响应长余辉纳米酶MSPLNP-Au-CB的应用
技术领域
本发明涉及体内靶向成像及PH响应杀菌技术领域，尤其是涉及一种pH响应长余辉纳米酶MSPLNP-Au-CB的应用。
背景技术
细菌感染是人类健康的一大威胁。通常情况下，病患通过口服或注射抗生素的方式抑制细菌性疾病，但这种全身给药方式容易对机体产生毒副作用。同时，随着抗生素滥用以及细菌种类的逐年增多，耐药性菌株也随之增多，细菌耐药性的出现与扩散严重威胁全球公共卫生安全。因此，为了解决细菌耐药性问题，发展替代抗生素的新型抗菌剂及新型检测手段已成为迫切需要。
纳米酶是新出现的一类具有广谱杀菌作用的类似生物酶活性的纳米材料。其本质定义为用人工方法合成具有酶性质的一类催化剂。相对于生物酶来说，纳米酶易于制备，稳定性高，成本低，克服了天然酶易变性和难以保存等缺点。因此，纳米酶在催化反应、分析检测、生物传感等领域具有巨大的应用潜力。然而，目前应用于细菌感染检测的纳米酶大多基于类过氧化物酶活性，分解H2O2产生活性氧。但是生理环境中的H2O2不足以实现有效的化学动力学检测，因此有必要开发兼具氧化酶活性和过氧化物酶活性的纳米酶来高效地产生活性氧，实现更有效杀菌作用。此外，大多数纳米酶应用都只局限于普通细菌感染环境，很少有纳米酶应用于极端环境，如胃部幽门螺杆菌感染的检测。并且单一杀菌功能的纳米酶无法实现体内杀菌过程实时监测。
发明内容
为了解决以上问题，我们设计构建了一种强酸性环境下稳定的pH响应长余辉纳米酶(MSPLNP-Au-CB)，并将其应用于胃酸环境中幽门螺杆菌和常见细菌感染酸性环境中普通致病菌及耐药菌的靶向成像与pH响应杀菌。
本发明提供的技术方案是一种pH响应长余辉纳米酶MSPLNP-Au-CB的应用，用于胃酸环境中感染细菌的靶向成像与pH响应杀菌，包含以下步骤：
将细菌悬液和MSPLNP-Au-CB在模拟胃液(SGF)中混合孵育，再取混合液加入细菌的BHI液体培养基中，置于三气培养箱培养，测定培养液A在600纳米处的吸光度；
将细菌悬液和MSPLNP-Au-CB在pH 2.0～7.0的液体培养基中培养12h,得到培养液B，再测定培养液B在600纳米处的吸光度；
再取培养液B，梯度稀释后于哥伦比亚血琼脂平板上涂板，置于三气培养箱培养5-7 天后观察菌落生长情况；
通过细菌在pH 2.0～7.0的液体培养基中的相对存活率来证明MSPLNP-Au-CB的pH响应杀菌能力；
将培养液B离心，制片，通过激光共聚焦显微镜观察，证明MSPLNP-Au-CB对细菌的靶向成像能力。
在本发明的可选实施案例中，所述细菌包含但不限于革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和耐药菌，大肠杆菌(E.coli)作为革兰氏阳性菌，金黄色葡萄球菌(S.aureus)作为革兰氏阴性菌，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)作为耐药菌。
在本发明的可选实施案例中，所述细菌的浓度为108CFU mL-1。
在本发明的可选实施案例中，所述MSPLNP-Au-CB的溶液终浓度为2～30μg mL–1。
在本发明的可选实施案例中，所述纳米酶MSPLNP-Au-CB包括以下制备步骤：PLNP的合成步骤，MSPLNP的合成步骤，MSPLNP-Au的合成步骤，CB的合成步骤以及 MSPLNP-Au-CB的合成步骤。
所述PLNP的合成步骤包含：将硝酸锌、硝酸镓、硝酸铬配置成水溶液，用浓氨水将氧化锗溶解后定容，形成锌离子、镓离子、铬离子、锗离子溶液，将所述四种离子溶液在室温电磁搅拌下混匀；向混合溶液中滴加氨水，调节溶液pH值至8.5，在室温下电磁搅拌，再将其转移至聚四氟乙烯内衬反应釜中于220℃下反应6个小时，待反应液降温后进行离心分离，移弃上层清液，沉淀用超纯水洗涤和乙醇洗涤，室温真空干燥，获得长余辉粉末；再将长余辉粉末转移至坩埚中800℃煅烧，降温后将其再分散于超纯水中，梯度离心获得上层清液中较小粒径的长余辉纳米粒子，即PLNP。
其中，所述锌离子、镓离子、铬离子、锗离子溶液的浓度分别为1.2mmol Zn2+，1.6mmol Ga3+，0.2mmol Ge4+，0.0075mmol Cr3+。
所述MSPLNP的合成步骤包含：将三乙醇胺溶于脱氧水中，磁力搅拌后，将所述PLNP，水杨酸钠，十六烷基三甲基溴化铵加入至三乙醇胺脱氧水溶液中，搅拌后，加入正硅酸四乙酯，之后在反应30min,60min,90min,120min时各加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，继续室温搅拌后离心，乙醇洗涤分离得到沉淀。之后将所得沉淀在酸性乙醇中70℃回流6小时，重复三次；之后离心洗涤，真空干燥得到MSPLNP。
所述MSPLNP-Au的合成步骤包含：将所述MSPLNP加入到蒸馏水中超声，之后加入HAuCl4溶液搅拌后，加入新鲜制备的NaBH4溶液，搅拌后得到MSPLNP-Au；
所述CB的合成步骤包含：将壳聚糖盐酸盐溶于醋酸溶液中；再将4-羧基苯硼酸和N-羟基琥珀酰亚胺溶于适量甲醇，室温搅拌，之后将1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐加入上述甲醇溶液中，搅拌均匀溶解后，将该溶液与上述醋酸溶液混合，室温搅拌后，将反应液转移至透析袋中，在去离子水中透析，将透析后的样品冷冻干燥，得到壳聚糖苯硼酸。
所述MSPLNP-Au-CB的合成步骤包括：将所述CB溶于水中，室温搅拌溶解后加入所述MSPLNP-Au，室温搅拌后离心清洗，得到MSPLNP-Au-CB。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明以长余辉纳米粒子为内核，表面修饰介孔硅来提供丰富的负载孔道，之后将纳米金原位还原于介孔硅孔道内。同时为了实现纳米酶的细菌特异性靶向能力，我们合成了壳聚糖苯硼酸修饰于纳米酶表面。该方法制备的纳米酶可以抵抗胃酸的腐蚀，并且具有细菌感染酸性环境响应激活的类氧化酶和类过氧化物酶活性，细菌特异性靶向及感染部位长余辉无背景成像能力。该纳米酶结合了双重纳米酶pH响应杀菌能力和长余辉无背景成像实时监测功能，且不损伤肠道共生菌和正常组织，在耐药菌特异性杀菌领域具有一定的应用前景。当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为PLNP的透射电镜图(TEM)；
图2为MSPLNP的透射电镜图(TEM)；
图3为MSPLNP-Au的高分辨透射电镜图(TEM)；
图4(a)为壳聚糖苯硼酸合成示意图，图4(b)为对应核磁共振氢谱出峰；
图5MSPLNP-Au表面修饰壳聚糖苯硼酸示意图；
图6为MSPLNP-Au和MSPLNP-Au-CB的红外光谱表征；
图7为PLNP,MSPLNP,MSPLNP-Au,MSPLNP-Au-AB的Zeta电势表征；
图8为MSPLNP-Au分别分散在水中和模拟胃液(SGF)中24小时后的透射电镜图；
图9为MSPLNP-Au分散在模拟胃液(SGF)中24小时的水合粒径变化图；
图10为MSPLNP-Au酸性环境响应激活的类氧化酶和过氧化物酶活性示意图；
图11为MSPLNP-Au在不同pH条件下的类氧化酶活性；
图12为MSPLNP-Au在不同pH环境中的类过氧化物酶活性；
图13为MSPLNP-Au的余辉衰减曲线和LED灯再激发余辉衰减曲线；
图14为MSPLNP-Au-CB在胃酸环境中对幽门螺杆菌的杀菌效果；
图15为MSPLNP-Au-CB在不同pH条件下对幽门螺杆菌的杀菌效果和涂板结果；
图16为MSPLNP-Au-CB对幽门螺杆菌的靶向成像；
图17为MSPLNP-Au-CB在50μg mL–1以内的剂量下的杀菌效果；
图18为MSPLNP-Au-CB(30μg mL–1)分别在pH 5.5和pH 7.0环境中的杀菌效果对比，其中“+”代表含有MSPLNP-Au-CB，“-”代表不含MSPLNP-Au-CB；
图19为在pH 5.5条件下MSPLNP-Au-CB孵育后细菌靶向的扫描电镜图(TEM)。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中所采用的试剂来源除了另有特殊规定的以外，均可以通过市售方式购买得到。
本发明所涉及的靶向成像是指：首先对需要成像的对象或部位进行靶向，在靶向结合之后，对该对象或部位进行成像观测。例如：具有靶向成像能力的纳米材料，纳米粒子需要具有与需要成像部位特异性结合的靶向能力，同时纳米材料还需要具有荧光或其核磁等成像剂的特征，可以通过光学成像或核磁成像等来对所需成像部位进行成像。本发明使用的长余辉纳米酶MSPLNP-Au-CB是一种光学成像材料，它能够被紫外光或可见光激发，并在光源停止激发后仍能够持续发光。由于无需原位连续激发，这种独特的光学性质可以实现无自发荧光的持续发光成像，因此适用于无背景成像和长时间体内追踪。同时本发明合成的壳聚糖苯硼酸的硼酸基团可以与细菌表面的肽聚糖可逆结合，因此具有细菌特异性靶向能力。本申请提供的的纳米酶MSPLNP-Au-CB具有靶向成像能力，而且这种成像是无背景成像，不受生物背景的干扰。
实施例1 PLNP的合成：
将硝酸锌、硝酸镓、硝酸铬配置成一定浓度的水溶液，用浓氨水将氧化锗溶解后定容，制得一定浓度的溶液；将上述四种离子溶液按1.2mmol Zn2+，1.6mmol Ga3+，0.2 mmolGe4+，和0.0075mmol Cr3+的比例在室温电磁搅拌下混匀；向混合溶液中滴加氨水，调节溶液pH值至8.5左右。混合溶液在室温下电磁搅拌3小时后，将其转移至聚四氟乙烯内衬反应釜中于220℃下反应6个小时，待反应液降温后进行离心分离，移弃上层清液，沉淀用超纯水洗涤3次，乙醇洗涤1次，室温真空干燥12小时获得长余辉粉末。将长余辉粉末转移至坩埚中800℃煅烧1小时，降温后将其再分散于超纯水中，梯度离心获得上层清液中较小粒径的长余辉纳米粒子PLNP，参见图1。
实施例2 MSPLNP的合成：
三乙醇胺(68mg)溶于25mL脱氧水中，磁力搅拌30分钟后，将长余辉纳米粒子(80mg)，水杨酸钠(42mg)，十六烷基三甲基溴化铵(380mg)加入至三乙醇胺脱氧水溶液中，搅拌60分钟后，加入正硅酸四乙酯(500μL)，之后在反应30,60,90,120 分钟时各加入20μL的3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，继续室温搅拌两小时后离心，乙醇洗涤分离得到沉淀。之后将所得沉淀在酸性乙醇中(50mL无水乙醇含3mL37％ HCl)70℃回流6小时，重复三次。之后离心洗涤，真空干燥得到MSPLNP，参见图2。
实施例3 MSPLNP-Au的合成：
5mg MSPLNP加入到2mL蒸馏水中超声10分钟，之后加入HAuCl4溶液(40μL, 20mmolL-1)搅拌1小时后，加入新鲜制备的NaBH4(0-30μL,60mmol L-1)，最终选用的NaBH4加入体积为10μL，剧烈搅拌1小时，得到MSPLNP-Au，参见图3。
实施例4壳聚糖苯硼酸(CB)的合成：
0.5g壳聚糖盐酸盐溶于60mL，0.3％醋酸溶液中。另称取420mg 4-羧基苯硼酸和246mg N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)溶于适量甲醇，室温搅拌30分钟，之后称取332mg 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)加入上述混合液中，搅拌均匀溶解后将该溶液与上述醋酸溶液混合，使用甲醇和水的体积比为1:1。室温搅拌24小时后将反应液转移至截留分子量为12000的透析袋中，在去离子水中透析72小时，每4小时更换一次水，将透析后的样品冷冻干燥，得到壳聚糖苯硼酸，参见图4。
实施例5 MSPLNP-Au-CB的合成：
10mg CB溶于10mL水中，室温搅拌溶解后加入20mg MSPLNP-Au，室温搅拌 24小时后离心清洗，得到MSPLNP-Au-CB，参见图5；通过红外光谱和zata电势测定证明CB在MSPLNP-Au表面的成功修饰，参见图6和图7。
实施例6 MSPLNP-Au的性能评价：
6.1 MSPLNP-Au在胃液强酸性环境中的稳定性
MSPLNP-Au的稳定性直接影响纳米酶的活性，因此对其在胃液强酸性环境中的稳定性做一评价。将MSPLNP-Au分散在模拟胃液(SGF)中24小时，通过考察其流体力学直径(水合粒径)变化，证明MSPLNP-Au在模拟胃液中24小时内水合粒径没有明显变化，参见图9。此外，MSPLNP-Au在SGF中分散24h后扫描电镜下的形态，参加图8，证明MSPLNP-Au在SGF中具有良好的稳定性，适合在胃极端酸性条件下长时间检测和成像。
6.2 MSPLNP-Au的pH响应类氧化酶和类过氧化物酶性能分析
在不同pH缓冲溶液(200μL)中加入MSPLNP-Au(50μg mL-1)和4μL TMB(终浓度为800μmol L-1)，35℃摇床孵育30分钟后离心，取上层清液测紫外吸收光谱，得到不同pH环境下的类氧化酶活性，参见图11。类过氧化物酶活性的测定与类氧化酶活性测定方法相同，但需在溶液体系中另外添加12.5μL H2O2(终浓度为50mmol L-1)，测得不同pH环境下的类过氧化物酶活性，参见图12，MSPLNP-Au酸性环境响应激活的类氧化酶和过氧化物酶活性，参见图10。
6.3 MSPLNP-Au的余辉性能测定
在测定MSPLNP-Au余辉曲线时，先使用发射波长为254nm的紫外灯对样品进行5 分钟的激发，然后在光谱仪的磷光寿命检测模式下进行测定。测定LED光源再激发余辉曲线时，样品预先在254nm的紫外灯下激发5分钟，之后开始余辉测定，在固定时间点停止检测，然后使用发射波长为650nm的LED灯激发样品2分钟，继续余辉测定，最终测得MSPLNP-Au余辉衰减曲线和LED灯再激发余辉衰减曲线，参见图13。
实施例7 MSPLNP-Au-CB在杀菌和靶向成像方面的应用
7.1 MSPLNP-Au-CB用于幽门螺杆菌的靶向成像和杀菌
将幽门螺杆菌溶液(108CFU mL-1)和MSPLNP-Au-CB(终浓度2,4,6,8,10,15, 20,30μg mL–1)在SGF溶液中混合孵育30分钟后，之后取50μL混合液加入至1mL 幽门螺杆菌BHI液体培养基中，置于三气培养箱(37℃,5％O2,10％CO2,85％N2)培养12h后，测定培养液在600纳米的吸光度(OD 600nm)。通过杀菌实验证明在模拟胃液酸性环境中，MSPLNP-Au-CB具有明显的杀菌效果，且呈现剂量依赖型，参见图 14。同时，进一步对比胃部酸性环境下和肠道环境下MSPLNP-Au-CB的杀菌效果。将幽门螺杆菌悬液(108CFU mL-1)和MSPLNP-Au-CB(30μgmL–1)分别在pH 2.0 和pH 7.0的PBS溶液中混合孵育，再取50μL混合液加入幽门螺杆菌的BHI液体培养基中，置于三气培养箱培养12h,测定培养液在600纳米的吸光度(OD 600nm)。之后取100μL上述培养液，梯度稀释后于哥伦比亚血琼脂平板上涂板，置于三气培养箱培养5-7天后观察菌落生长情况。通过幽门螺杆菌在pH 2.0和pH 7.0的液体培养基中的相对存活率证明MSPLNP-Au-CB的pH响应杀菌能力，图15。将pH 2.0条件下 MSPLNP-Au-CB孵育后靶向的幽门螺杆菌离心，制片，通过激光共聚焦显微镜观察，证明MSPLNP-Au-CB对幽门螺杆菌的靶向成像能力，参见图16。
7.2 MSPLNP-Au-CB用于常见致病菌和耐药菌的靶向成像和杀菌
以大肠杆菌(E.coli)，金黄色葡萄球菌(S.aureus)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)分别作为革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和耐药菌的代表菌株。取50μL菌液(108CFUmL-1)与不同浓度MSPLNP-Au-CB(10,20,30,40,50μg mL–1)在1mL LB 培养基(pH 5.5)中混合培养12个小时，测定培养液在600纳米的吸光度(OD 600nm)。通过对三种细菌的杀菌实验证明在模拟细菌感染酸性环境中，MSPLNP-Au-CB在较低的剂量下(50μg mL–1以内)即可具有显著的杀菌效果(图17)。通过固定浓度的 MSPLNP-Au-CB(30μg mL–1)分别在pH 5.5和pH7.0环境中的杀菌效果对比，证明其具有pH响应杀菌能力(图18)。之后通过对在pH 5.5条件下MSPLNP-Au-CB孵育后靶向的细菌进行扫描电镜拍摄，证明MSPLNP-Au-CB对三种细菌的靶向杀菌能力(图 19)。
通过以上实施例可以看出，本发明以长余辉纳米粒子(PLNP)为内核，表面修饰介孔硅来提供丰富的负载孔道，之后将纳米金原位还原于介孔硅孔道内。同时为了实现纳米酶的细菌特异性靶向能力，我们合成了壳聚糖苯硼酸修饰于纳米酶表面。该方法制备的纳米酶MSPLNP-Au-CB可以抵抗胃酸的腐蚀，并且具有细菌感染酸性环境响应激活的类氧化酶和类过氧化物酶活性，细菌特异性靶向及感染部位长余辉成像能力。该纳米酶结合了双重纳米酶pH响应杀菌能力和长余辉无背景成像实时监测功能，且不损伤肠道共生菌和正常组织，在耐药菌特异性杀菌领域具有一定的应用前景。
综上所述，本说明书内容不应该理解为本发明的限制，凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种pH响应长余辉纳米酶MSPLNP-Au-CB的在制备感染细菌的靶向成像药物的应用，其特征在于，用于胃酸环境中pH响应杀菌，所述胃酸环境的pH范围为2.0~5.5，所述细菌的浓度为108 CFU·mL−1，所述MSPLNP-Au-CB的浓度为2~30 μg·mL–1；
所述pH响应长余辉纳米酶MSPLNP-Au-CB的在制备感染细菌的靶向成像药物的应用，用于感染细菌的靶向成像；
所述细菌包含但不限于革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌；
所述纳米酶MSPLNP-Au-CB的制备步骤包括：PLNP的合成步骤，MSPLNP的合成步骤，MSPLNP-Au的合成步骤，CB的合成步骤以及MSPLNP-Au-CB的合成步骤；
所述PLNP的合成步骤包含：将硝酸锌、硝酸镓、硝酸铬配置成一定浓度的水溶液，用浓氨水将氧化锗溶解后定容，制得一定浓度的溶液；将上述四种离子溶液按1.2 mmol Zn2+，1.6 mmol Ga3+，0.2 mmol Ge4+，和0.0075 mmol Cr3+的比例在室温电磁搅拌下混匀；向混合溶液中滴加氨水，调节溶液pH值至8.5，在室温下电磁搅拌，再将其转移至聚四氟乙烯内衬反应釜中于220℃下反应6个小时，待反应液降温后进行离心分离，移弃上层清液，沉淀用超纯水洗涤和乙醇洗涤，室温真空干燥，获得长余辉粉末；再将长余辉粉末转移至坩埚中800℃煅烧，降温后将其再分散于超纯水中，梯度离心获得上层清液中的长余辉纳米粒子，即PLNP；
所述MSPLNP的合成步骤包含：将三乙醇胺溶于脱氧水中，磁力搅拌后，将所述PLNP，水杨酸钠，十六烷基三甲基溴化铵加入至三乙醇胺脱氧水溶液中，搅拌后，加入正硅酸四乙酯，之后在反应30min, 60min, 90min, 120min时各加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，继续室温搅拌后离心，乙醇洗涤分离得到沉淀，之后将所得沉淀在酸性乙醇中70℃回流6小时，重复三次；之后离心洗涤，真空干燥得到MSPLNP；
所述MSPLNP-Au的合成步骤包含：将所述MSPLNP 加入到蒸馏水中超声，之后加入HAuCl4 溶液搅拌后，加入新鲜制备的NaBH4溶液，搅拌后得到MSPLNP-Au；
所述CB的合成步骤包含：将壳聚糖盐酸盐溶于醋酸溶液中；再将4-羧基苯硼酸和N-羟基琥珀酰亚胺溶于适量甲醇，室温搅拌，之后将1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐加入上述甲醇溶液中，搅拌均匀溶解后，将该溶液与上述醋酸溶液混合，室温搅拌后，将反应液转移至透析袋中，在去离子水中透析，将透析后的样品冷冻干燥，得到壳聚糖苯硼酸，即CB；
所述MSPLNP-Au-CB的合成步骤包括：将所述CB 溶于水中，室温搅拌溶解后加入所述MSPLNP-Au，室温搅拌后离心清洗，得到MSPLNP-Au-CB。
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