全球每年有近600万患者遭受严重的皮肤损伤感染，致死率约为5%，皮肤损伤感染是对全球人类健康的一大威胁。目前临床治疗伤口细菌感染的方法是采用基于抗生素的伤口敷料，但是它的成本高，效率低，并可能导致抗生素耐药性。细菌纤维素(BC)是用醋酸菌Komagataeibacter sucrofermentans等微生物发酵合成的，因其三维(3D)相干纳米纤维网络结构，具有超高孔隙度和保水能力，特别适用于伤口敷料。

近日，新加坡国立大学刘斌教授团队探索了一种基于醋酸菌的光敏性细菌纤维素直接合成方法，即在TPEPy修饰的葡萄糖(TPEPy-Glc)存在的情况下，通过原位细菌代谢来制备光敏剂（PSs）嫁接的BC（TPEPy-Glc-BC），有出色的荧光和光触发光动力杀菌活性。这种活性创面敷料具有微生物代谢光控杀菌活性，可用于皮肤伤口的修复。BC具相关工作以“Direct Synthesis of Photosensitizable Bacterial Cellulose as Engineered Living Material for Skin Wound Repair”发表在《Advanced Materials》。

【TPEPy-Glc-BC的制备】

首先，通过葡萄糖胺的游离氨基与TPEPy-COOH的活化羧基发生酰胺化反应，设计并合成了PS修饰葡萄糖TPEPy-Glc（图1），它暴露在连续白光照射下疼仍具有良好的光稳定性和高效的ROS生成能力。

然后，在黑暗条件下以TPEPy-Glc为底物，通过原位发酵的方式，通过生物代谢生成PS改性BC (TPEPy-Glc-BC)，成功将TPEPy-Glc引入BC且未破坏BC的晶体结构。TPEPy-Glc-BC薄膜的大小可以通过改变不同容量的培养板来调节。

此外，在紫外光照射下，未改性的TPEPy-Glc-BC样品中没有荧光，而TPEPy-Glc-BC样品中有强烈而均匀的橙色荧光，荧光强度随着TPEPy-Glc投料浓度的增加而逐渐增强，说明可以通过改变发酵培养基中TPEPy-Glc的浓度来控制BC的功能化。

图1 功能性细菌纤维素的设计、结构与特性

【TPEPy-Glc-BC的杀菌活性】

图2显示了TPEPy-Glc-BC对致病菌的杀菌过程，说明其具有较好的ROS生成能力。在细菌接近纤维素表面时，接枝的光敏剂在光照下产生活性氧，显示其固有的生物杀灭作用。ROS可以进一步破坏生物分子，如脂质、蛋白质、DNA和RNA，导致细菌死亡。

此外，用BC或TPEPy-Glc-BC处理的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在未辐照的情况下均保持了细胞膜的完整性。在光照射下，细菌暴露于TPEPy-Glc- BC(浓度为100μM)可产生足够的ROS对所有细菌造成伤害和杀灭，使菌群变形并开始坍塌。可见，TPEPy-Glc-BC可在光激发下对病原菌进行烧蚀。

图2 TPEPy-Glc-BC的杀菌活性

【TPEPy-Glc-BC用于创面修复】

该团队选择NIH 3T3、HEK 293、RAW 264.7作为与伤口愈合相关的三种关键细胞类型（成纤维细胞、上皮细胞和巨噬细胞）的模型细胞，分别评价TPEPy-Glc-BC的生物相容性。结果发现，BC和TPEPy-Glc-BC表面的3个细胞形态清晰，表面完整，培养72 h后，所有细胞存活率均在95%以上。此外，TPEPy-Glc-BC对小鼠的造血(白细胞和红细胞)及代谢系统(葡萄糖、谷丙转氨酶、天冬氨酸转氨酶、红细胞压积、血红蛋白)无明显影响且不影响免疫原性。这表明功能化TPEPy-Glc-BC对真核细胞具有良好的生物相容性，是一种生物安全的伤口修复材料。

图3 TPEPy-Glc-BC的生物相容性试验

小鼠皮肤感染创面模型经TPEPy-Glc-BC/BC和光照处理后，TPEPy-Glc-BC光动力处理第12天，BC组创面愈合率为68%，而TPEPy-Glc-BC治疗后创面完全恢复。此外，TPEPy-Glc-BC光动力疗法治疗的创面皮肤炎症反应最轻微，吞噬细胞浸润较少，肉芽组织较厚，新生血管表达量最高，胶原含量最高，胶原沉积导致创面皮肤重建和愈合速度加快。这说明TPEPy-Glc-BC独特的创面愈合能力，其优异的杀菌性能和良好的生物相容性。

图4 TPEPy-Glc-BC促进小鼠背部皮肤创面愈合

【小结】

综上所述，该团队首次开发了一种通过微生物代谢生物合成系统直接制备抗菌创面的方法。TPEPy-Glc-BC不仅使获得的BC具有光触发抗菌性能，还具有生物相容性和有效的抗菌能力，可加速创面修复。本工作为利用微生物代谢的光控杀菌作用制备生态友好的活性创面提供了一种新方法。微生物葡萄糖碳源的成功修饰也为通过微生物代谢进行其他生物合成提供了见解。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109010

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！