Nat Commun｜扬州大学高利增组发现纳米硫化铁的抗菌特性和机理

扬州大学高利增教授长期致力于纳米酶（Nanozyme）的开发与生物医学应用，其博士期间在阎锡蕴课题组发现，氧化铁纳米颗粒具有类过氧化物酶活性（Nature Nanotechnology 2007）；后来又发现这一氧化铁纳米酶通过过氧化物酶活性催化双氧水，可以高效杀菌和清除细菌生物膜（Biofilm）（Biomaterials 2016），因此可能在解决细菌抗生素耐药和滥用问题上发挥作用。氧化铁纳米酶主要模拟含铁的氧化还原酶，可以直接调控机体内的活性氧（ROS）自由基水平。高利增课题组聚焦于铁硫蛋白系统，这一类通过调控硫化物水平进而影响机体氧化还原平衡的蛋白。基于类似于氧化铁纳米酶模拟原理，他们尝试开发具有类酶活性的硫化铁纳米酶。

众所周知，大蒜具有杀菌等多种生物学功能，其中发挥主要作用的是多种含硫的化合物，尤其是大蒜素衍生出的有机多硫化物（图1a）。但是这些有机硫化物稳定性较差，提取单一组份往往活性较弱，而且这些硫化物挥发出难闻的气味，因此大蒜来源的药物在实际应用中比较少。

图1. 有机硫转化为无机纳米硫化铁。（a）大蒜中含有的天然有机硫化物； （b）纳米硫化铁扫描电镜图； Scale bar: 1 µm.（c）纳米硫化铁透射电镜图. Left scale bar: 200 nm. Right scale bars: 2 nm. d1: d-spacing at 0.298 nm. d2: d-spacing at 0.15 nm.

基于对硫化铁纳米酶的开发设计思路以及对大蒜杀菌机制的了解，高利增课题利用水热合成，在原本用于合成氧化铁纳米颗粒的反应体系中，加入大蒜来源的有机硫化物，制备了既具有类过氧化物酶活性，又能高效广谱杀菌的无机纳米硫化铁（图1b和c）。与大蒜中的天然有机硫相比，纳米硫化铁的杀菌效果提升了500多倍。机理研究表明纳米硫化铁可能通过释放多硫化氢杀死细菌，这种无机小分子可以快速渗透进入细菌内部，显著提升细菌内的ROS和脂质氧化水平，最终导致细菌死亡。这些现象也表明，纳米硫化铁具有类似铁硫蛋白的功能，可以调节细菌内氧化还原水平。

有趣的是，在多硫化氢释放过程中，片状的纳米硫化铁会转变为颗粒状的纳米氧化铁。这表明，在释放反应中存在着纳米结构的转化（图2a和2b）。如果外部环境中存在双氧水，纳米硫化铁可以通过类酶催化活性，加速多硫化氢的释放和纳米结构的转化，这一现象被命名为催化加速释放（Catalysis accelerated release）效应（图2c和2d）。因此，如果将多硫化氢释放与类酶催化结合在一起，将会进一步增强纳米硫化铁的抗菌效果（图2e）。基于上述释放机理和催化行为，纳米硫化铁不仅可以抑制和清除口腔细菌生物膜，应用于龋齿防治；还能清除皮肤伤口表面的细菌，加速伤口组织的愈合。

图2. 纳米硫化铁释放多硫化氢及纳米结构转换。（a）和（b）纳米硫化铁在溶液中的颜色变化和扫描电镜下纳米结构的变化； Scale bars: 2 µm.（c）质谱鉴定释放出的多硫化氢；（d）纳米硫化铁类酶活性加速多硫化氢释放；（e）纳米硫化铁释放多硫化氢和纳米结构转换示意图。

纳米硫化铁的抗菌特性和机理使其可能成为一种新型抗菌材料，用于开发家庭日用消毒剂以及医用抗菌治疗药物。此外，这一杀菌机理可能具有一定的普遍性，不仅纳米硫化铁，其他能够释放多硫化氢的多种纳米硫化物，都有可能具有抗菌活性。

此工作主要由扬州大学医学院高利增课题组、美国Louisiana State University 健康科学中心申兴桂教授、中国科学院生物物理研究所范克龙博士、华西口腔医院何金枝医生、江西师范大学高兴发课题组以及美国University of Pennsylvania 牙医学院Hyun Koo课题组共同合作完成。其中扬州大学医学院/转化医学研究院许卓斌博士、研究生仇智月、药学系刘岐博士为该文章并列第一作者，高利增博士为论文通讯作者。该研究得到国家千人计划青年项目、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和双创人才计划等资助。

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