Advanced Materials | PitPdRhNi 纳米酶的精准应变调谐提升了多病原体和多模式抗菌治疗

纳米酶是新兴的抗菌剂，催化活性氧物种以消除致病威胁;然而，它们对抗多重耐药感染的能力仍受催化效率、底物亲和力和稳定性的限制。本文报告了一种将镍融入超薄 PtPdRh 纳米片的新策略，以工程化晶格应变，以增强底物亲和力并增强酶模拟催化活性。PtPdRhNi 纳米酶的催化效率（K cat /K m = 2.05 × 10 6m−1 −1），比 PtPdRh 高出 56.5 倍，15 个月后活性保持超过 90%。理论计算表明，Ni 的掺入使 d 能带中心从−1.80 eV 上移到−1.27 eV，并增强 Pt−O 键，从而加速 H 2 O 2 →哦。我们还进一步证明，PtPdRhNi 与 H2 O 2 联合治疗可实现 100%的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的消灭率，并杀灭变异链球菌和牙龈卟啉单胞菌超过 99.97%。在大鼠牙周炎、MRSA 感染的皮肤伤口和深部脓肿模型中，该催化平台能够快速清除细菌，解决炎症并再生富含胶原蛋白的组织。对暴露于 PtPdRhNi 并伴有 H 2 O 2 的 MRSA 转录组分析发现了 1048 个差异表达基因，揭示了呼吸链和三羧酸循环关闭、抗氧化防御减弱、能量耗尽、氧化损伤和转录组重编程。

抗生素耐药性的蔓延正成为全球公共卫生的重大威胁，研发能够规避传统耐药机制的新型抗菌策略迫在眉睫。纳米酶，特别是基于贵金属的纳米酶，因其模拟天然酶的催化活性、良好的稳定性及生物相容性，在抗菌治疗领域展现出潜力。然而，现有贵金属纳米酶往往受限于其固有的电子惰性，导致对过氧化氢等底物的亲和力与催化效率不足，难以高效对抗多重耐药菌。如何从原子尺度精确调控其电子结构，成为提升其抗菌效能的关键挑战。

针对这一难题，来自北京大学等机构的研究团队近期提出了一种创新的晶格应变工程策略。他们通过在超薄铂钯铑三元纳米片中掺入镍元素，成功构建了四元PtPdRhNi纳米酶。结构表征表明，镍的引入并未改变材料的晶格类型，但引发了显著的原子尺度晶格畸变与局部应变场。这种应变效应重塑了活性位点的电子结构，将材料的d带中心上移，增强了铂与氧之间的相互作用，从而显著提升了其对过氧化氢的吸附能力与活化效率。

酶动力学测试结果充分证实了应变工程的卓越效果。PtPdRhNi纳米酶对过氧化氢的米氏常数极低，表明其底物结合亲和力较未掺镍的对照样品提升了24.1倍。其催化效率更是达到了惊人的水平，比对照样品提高了56.5倍，并且该活性在室温下储存15个月后仍能保持90%以上，展现出优异的长期稳定性。理论计算进一步揭示，镍掺杂诱导的应变降低了过氧化氢逐步分解生成羟基自由基这一关键反应路径的能垒，而电子顺磁共振与原位红外光谱也直接检测到更大量的活性氧中间体生成，从实验上验证了其增强的催化机制。

基于其卓越的类过氧化物酶活性，研究团队系统评估了该纳米酶的抗菌性能。在低浓度过氧化氢协同下，PtPdRhNi纳米酶能100%清除耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，对口腔致病菌变异链球菌和牙龈卟啉单胞菌的杀灭率也超过99.97%。这种强大的杀菌效力在三种不同的体内感染模型中得到了成功转化：在大鼠牙周炎模型中，治疗显著减轻了牙龈红肿、出血等炎症症状，促进了胶原蛋白的再生与组织修复；在MRSA感染的皮肤全层缺损模型中，治疗加速了伤口愈合，并有效降低了促炎细胞因子的表达；在深部皮下脓肿模型中，同样观察到了快速的炎症消退与组织修复。这些结果共同证明该纳米酶平台具备应对多种复杂感染环境的强大治疗潜力。

为深入理解其抗菌机制，研究人员对经纳米酶处理的MRSA进行了全转录组测序分析。结果显示，有超过一千个基因的表达发生显著改变。细菌的应激响应系统被强烈激活，但与此同时，其三羧酸循环、呼吸链功能等核心能量代谢途径受到严重抑制，氨基酸合成与氮代谢也被扰乱。这表明，PtPdRhNi纳米酶协同过氧化氢不仅引发了强烈的氧化应激，更从根源上阻断了细菌的能量供应与生物合成能力，导致其能量耗竭并最终死亡。这项工作通过精妙的应变工程，极大提升了贵金属纳米酶的催化与抗菌效能，为应对多重耐药菌感染提供了一种兼具高效、稳定与广谱性的新型纳米治疗平台，展示了其在未来临床转化中的广阔前景。

参考文献：

DOI: 10.1002/adma.202518526