ACS Nano | 掺钴碳量子点与弱乙酸协同作用，消除抗菌素耐药细菌感染

当病原菌在伤口上定植时，它们可以创造一个碱性生态位，通过创造限制伤口健康愈合的炎症环境来选择生存。为了帮助愈合，伤口酸化已被用来破坏这一过程并刺激成纤维细胞生长，增加伤口氧浓度，最大限度地减少蛋白水解活性，并重新刺激宿主免疫系统。在这项研究中，我们开发了钴掺杂碳量子点纳米颗粒，可与温和的乙酸协同工作，创造出一种有效的协同抗菌疗法。酸性环境改变了微生物的渗透平衡，迫使它们膨胀并加速超小颗粒的内化。这些颗粒使细菌膜超极化并产生破坏性的过氧化物酶物质，导致细胞裂解。在小鼠中，掺杂钴的碳量子点可以去除 MRSA 感染，同时使伤口以与未感染伤口相当的速度愈合。这项工作展示了如何成功地使用协同抗菌治疗策略来对抗抗菌素耐药感染。

该研究以题为“Cobalt-Doped Carbon Quantum Dots Work Synergistically with Weak Acetic Acid to Eliminate Antimicrobial-Resistant Bacterial Infections”发表在ACS Nano上。

Co-CQD表征。(A) Co-CQD纳米颗粒的代表性TEM图像。比例尺为25纳米。(B) 通过水热合成条件制备的Co-CQD尺寸直方图。(C) Co-CQDs的X射线光电子能谱(XPS)元素分析（原子百分比）。(D) Co-CQD及其合成前体六胺氯化钴溶液的吸收光谱。(E) Co-CQDs在酸性、碱性和碱性条件下的吸收光谱。(F) Co-CQDs的激发和发射荧光光谱。(G) 六胺氯化钴溶液及Co-CQD溶液的ζ电位。(H) Co-CQDs及其合成前体柠檬酸(CA)和六胺氯化钴(HACC)的傅里叶变换红外(FTIR)光谱。(I) Co-CQDs的XPS Co2p峰。(J) Co-CQDs的XPS Cl1s峰。误差线表示标准偏差。统计显著性通过(G) 非配对双尾t检验确定。**** 表示p < 0.0001。

图二

Co-CQDs的抗菌活性。(A) MRSA、大肠杆菌和粪肠球菌在经过24小时Co-CQDs暴露后的pH调整液体培养基中的光密度（OD 600nm）。红色箭头表示MBCCo-CQD浓度。(B) MRSA、大肠杆菌和粪肠球菌在pH 5.5、pH 5.5 + Co-CQDs、pH 7.0和pH 7.0 + Co-CQDs处理后24小时的TEM图像。比例尺=500nm。(C) 当暴露于营养肉汤（NB）pH 7.0、NB + 醋酸（pH 5.5）以及NB + 醋酸（pH 5.5）+ Co-CQDs时，MRSA、大肠杆菌和粪肠球菌的细胞大小。(D) 在pH 7和5.5下，有无Co-CQD处理情况下，与另一细胞接触的大肠杆菌细胞数量（细胞–细胞相互作用）。(E) MRSA细胞在pH 5.5时0.5至3小时内通过Co-CQD内化的钴摄取量归一化。误差线表示标准差。统计显著性：(A) 使用双因素方差分析（ANOVA）和Tukey多重比较检验，或(C, D, E) 使用单因素ANOVA和Tukey多重比较检验。ns、*、**、***、**** 分别表示无显著性、p < 0.05、p < 0.005、p < 0.0005和p < 0.0001。该平台能够清除小鼠伤口中多药耐药MRSA感染而不降低伤口愈合率。总体来看，该平台通过融合传统与创新的组合策略，为体内外抗菌感染提供了一种生物相容且高效的策略。

总结

慢性伤口一旦被耐药菌盯上，往往陷入“炎症-感染-难愈合”的死循环。细菌在伤口中营造的碱性微环境，不仅让它们活得舒坦，还抑制了宿主的免疫清除能力。虽然伤口酸化的策略早有提出，但常用的醋酸浓度低了杀不动菌，浓度高了又刺激皮肤。澳大利亚与挪威的研究团队在 ACS Nano 上发表的一项研究，给出了一个巧妙的解法：他们将钴掺杂的碳量子点（Co-CQDs）与极低浓度（0.06%）的醋酸联用，构建了一个协同抗菌体系。这种超小纳米颗粒（平均2.6 nm）本身带有少量钴离子，能在酸性环境中产生过氧化物和超氧阴离子，而醋酸则负责打乱细菌的渗透压，让MRSA和大肠杆菌等耐药菌“膨胀”起来，加速纳米颗粒进入胞内，内外夹击实现高效杀菌。

这套组合拳在体外表现亮眼：在pH 5.5的醋酸环境中，Co-CQDs对MRSA的最低杀菌浓度仅38 μg/mL，对大肠杆菌和粪肠球菌也分别在75 μg/mL达到完全杀灭，效果远超中性环境。机制上，RNA测序显示醋酸处理让细菌启动了大量应激和解毒基因，而加入Co-CQDs后，氧化应激相关基因被进一步激活，同时细菌的代谢活性和膜电位被显著抑制。在小鼠伤口感染模型中，单次给予Co-CQDs（1.09 mg/kg）就能完全清除MRSA感染，伤口愈合速度与未感染组无异，且愈合组织中的胶原沉积、巨噬细胞和中性粒细胞浸润均恢复正常水平。安全性方面，Co-CQDs对人真皮成纤维细胞表现出良好的耐受性，即使在500 μg/mL浓度下（远超杀菌浓度），细胞仍保持76%的存活率，且移除纳米颗粒后可恢复增殖。这项研究展示了“弱酸环境+超小纳米颗粒”的组合策略，既规避了传统抗生素的耐药风险，又为慢性伤口感染提供了一种安全、高效、易转化的新思路。

参考文献：

DOI: 10.1021/acsnano.5c03108