构筑感染微环境响应性的纳米集成式抗菌材料及其用于糖尿病足治疗的研究

Bacterial biofilm brings a great challenge to traditional antibiotic therapy because the use of the traditional antibiotics may induce bacterial drug resistance instead of killing biofilm. This project will take diabetic foot infection (DFI) as an example，an antibacterial nanocomposite will be developed with functions of targeting bacterial and response to infect microenvironment by taking the advantages of self-assembly mechanism, the catalytic mechanism of multilevel enzymes, and the multifunction of lanthanide doped upconversion nanoparticles. This program aims at explaining the regulatory mechanism of nanocomposite and discovering the programmable drug delivery mechanism with infectious microenvironment response. Moreover, we will uncover the relationships among integrated nano-antibacterial materials, microenvironment of DFI and bacterial biofilm in order to improve the antibacterial efficacy and decrease the drug resistance. This project may offer novel approaches for developing nano-antibacterial materials with high treatment performance and low toxicity to tissues. Finally, curing the DFI can be possible based on the novel nanomedicine strategy.

细菌生物被膜给传统的抗生素治疗带来了巨大的挑战，使用传统抗生素无法杀灭生物被膜，并可能诱导诱导细菌耐药性的产生。本项目将以糖尿病足感染（DFI）为例，并利用纳米蛋白笼的自组装机制、葡萄糖响应多级酶的催化机制及稀土掺杂上转换纳米材料的多功能性，构筑一种具有细菌靶向性、细菌感染微环境环境响应性（DFI特点：高糖、低酸、透明质酸酶和基质金属蛋白酶高表达）、并可程序化释放具有不同抗菌机制的抗菌基团（抗菌肽、细菌群体效应抑制肽、活性氧簇）的纳米集成式抗菌材料。本项目将阐明纳米结构的调控机制，环境响应性的可控、程序化释放的机理，并揭示纳米集成式抗菌材料、糖尿病足感染微环境及细菌生物被膜三者之间的“构效”关系，提高杀菌效果并降低多药耐药性，为开发新型、高效、低毒的纳米抗菌剂提供新途径，为实现从单纯杀灭浮游菌到破坏细菌生物被膜的跨越提供新方法，为后抗生素时代防治糖尿病足感染提供基于纳米医学的新策略。

本项目紧紧围绕构筑纳米集成式抗菌材料治疗感染型糖尿病足溃疡这一中心目标，利用糖尿病足感染的特殊微环境（高糖、低酸、透明质酸酶和基质金属蛋白酶高表达）的响应性，设计了新型、安全、高效的集成式纳米抗菌材料（无机纳米酶、纳米液体敷料、多功能水凝胶及抗菌涂层）。我们的工作揭示了基于集成式纳米抗菌材料突破细菌生物膜屏障、靶向细菌细胞、治疗细菌感染或调控伤口感染微环境的机制，并且开发了具有类酶活性和高效级联杀菌机制的新型抗菌纳米系统。更重要的是，我们阐明了无机纳米酶的催化机制及纳米颗粒纳米结构的调控机制，并揭示了该纳米集成式抗菌材料、糖尿病足感染微环境及细菌生物被膜三者之间的“构效”关系。该项目构筑了一种具有细菌靶向性、细菌感染微环境环境响应性、并可程序化释放不同抗菌基团（抗菌肽、细菌群体效应抑制肽、活性氧簇）的纳米集成式抗菌系统。除此之外，我们还利用纳米材料的高复合性，制备了多功能抗菌水凝胶以及响应性释药涂层，阐明了细菌感染、伤口治疗以及植入体医疗器械感染三者之间的有机协同关系，为抑制细菌耐药性发展提供理论基础和可靠的实验数据支持。