ZnO-CM 纳米酶：治疗沙门氏菌诱导结肠炎的新希望

《Journal of Nanobiotechnology》：ZnO-Cu/Mn nanozyme for rescuing the intestinal homeostasis in Salmonella-induced colitis

研究人员开发 ZnO-CM 纳米酶治疗沙门氏菌诱导的结肠炎，有效抑制细菌生长、缓解炎症，为治疗提供新策略。

　　

一、研究背景

在日常生活中，食品安全问题一直是人们关注的焦点，而沙门氏菌（Salmonella）作为一种常见的食源性病原体，时刻威胁着人们的健康。它就像隐藏在食物中的 “小恶魔”，一旦进入人体，就会在肠道内兴风作浪，引发严重的肠道菌群失衡、肠炎，甚至败血症。据统计，全球每年约有 1.081 亿例肠胃炎病例和 29.1 万例死亡与沙门氏菌感染有关，这个数字令人触目惊心。

传统抗生素在对抗沙门氏菌感染时面临诸多困境。一方面，沙门氏菌能够巧妙地定植在肠道内，存活于宿主组织中，还能突破肠道上皮屏障进入血液，使得传统抗生素难以有效渗透到细胞内发挥作用；另一方面，传统抗生素对细菌内毒素没有选择性作用，无法精准清除有害物质，反而可能破坏肠道内的正常菌群平衡，进一步加重病情。

为了寻找更有效的治疗方法，科研人员将目光投向了纳米材料领域。纳米酶（nanozyme）作为一种具有酶样特性的纳米材料，在恶劣环境下展现出出色的稳定性，能够有效清除自由基、防止氧化应激，具有显著的抗菌活性。而氧化锌（ZnO）作为一种广泛研究的抗菌剂，具有成本效益高、安全性好等优点，已被美国食品药品监督管理局（FDA）列为 “公认安全”（GRAS）材料。但单纯的 ZnO 在对抗沙门氏菌时，往往需要较高浓度才能达到理想的杀菌效果，这在实际应用中存在一定困难。那么，如何提升 ZnO 的抗菌效果呢？基于此，四川农业大学的研究人员开展了一项极具意义的研究。

二、研究方法

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：

1. 材料制备：运用简单的水热法合成了 Cu/Mn 共掺杂的 ZnO 串联纳米酶（ZnO-CM），同时制备了 ZnO、ZnO-Cu、ZnO-Mn 作为对照。
2. 材料表征：综合运用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散光谱（EDS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、X 射线粉末衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）、电子顺磁共振（EPR）等技术，对 ZnO-CM 的结构、形貌、元素组成等进行全面表征。
3. 酶活性检测：通过 3,3,5,5 - 四甲基联苯胺（TMB）显色法、硝基蓝四氮唑（NBT）比色法、钼酸铵法分别检测 ZnO-CM 的过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）样活性。
4. 抗菌性能测试：采用平板计数法、细菌生长曲线测定、蛋白渗漏测试等方法，在体外评估 ZnO-CM 对沙门氏菌的抗菌活性；通过建立小鼠沙门氏菌感染模型，在体内评价 ZnO-CM 的抗菌和抗炎效果。
5. 安全性评估：利用 CCK - 8 试剂盒检测 ZnO-CM 对细胞的毒性，通过对小鼠进行血常规、肝肾功能检测以及组织病理学分析，评估其体内生物相容性和金属元素积累情况。

三、研究结果

1. ZnO-CM 的制备与表征：通过水热法成功合成了 ZnO-CM 纳米球，其呈球形，粒径约 430nm，与未掺杂的 ZnO 相比，形貌和粒径无明显差异。元素分析表明，Zn、O、Cu、Mn 均匀分布在 ZnO-CM 的晶格中，且 Cu 和 Mn 的掺杂未改变 ZnO 的晶体结构，但导致了电子密度变化和氧空位的产生。
2. 酶活性评估：ZnO-CM 在酸性条件下具有显著的 POD 样活性，能够催化 TMB 氧化显色，产生大量羟基自由基（?OH）；在中性条件下，展现出良好的 SOD 和 CAT 样活性，可有效清除超氧阴离子（O₂^-）和过氧化氢（H₂O₂）。理论计算进一步证实，Cu/Mn 共掺杂增强了 ZnO 的抗氧化能力，使 ZnO-CM 的 SOD 和 CAT 样活性优于单掺杂的 ZnO。
3. 体外抗菌研究：平板计数法显示，ZnO-CM 的杀菌效果显著强于 ZnO、ZnO-Cu 和 ZnO-Mn，且在较低浓度下就能有效抑制沙门氏菌生长，最低杀菌浓度（MBC）为 125μg/mL。细菌生长曲线和蛋白渗漏测试表明，ZnO-CM 能破坏细菌细胞膜，导致蛋白泄漏，从而抑制细菌生长。
4. 初步安全性评估：CCK - 8 实验表明，在浓度高达 80μg/mL 时，ZnO-CM 的细胞毒性低于 ZnO。对小鼠的体内研究显示，连续给予 ZnO-CM 14 天后，小鼠体重持续增加，各组织器官无明显病理变化，血常规和肝肾功能指标正常，金属元素在体内的积累较少且部分呈现下降趋势，表明 ZnO-CM 具有良好的生物相容性和较低的长期毒性风险。
5. 体内抗菌和抗炎评估：在小鼠沙门氏菌感染模型中，ZnO-CM 显著降低了小鼠的死亡率和体重减轻程度，有效缓解了结肠缩短的症状。体内成像和免疫荧光结果显示，ZnO-CM 能够高效清除肠道内的沙门氏菌，其杀菌效果优于 ZnO。此外，ZnO-CM 还能降低促炎细胞因子 IL - 1β 和 IL - 6 的表达，恢复紧密连接蛋白 occludin 和 claudin - 1 的水平，减轻肠道炎症，保护肠道屏障功能。

四、研究结论与意义

本研究成功合成了具有 pH 响应多酶模拟活性的 ZnO-CM 纳米酶，并系统地研究了其对沙门氏菌感染及诱导的结肠炎的作用。ZnO-CM 具有独特的双功能机制：在酸性环境下，其 POD 样活性发挥抗菌作用，抑制沙门氏菌增殖；在中性环境下，SOD 和 CAT 样活性则减轻氧化应激和炎症反应，缓解结肠炎症状。这种双功能特性为沙门氏菌感染的治疗提供了一种全新的策略，有望成为传统抗生素的有效替代品。

此外，该研究中纳米酶的简便制备方法为纳米酶的设计和优化提供了新的思路，在治疗其他细菌感染和炎症性疾病方面也具有潜在的应用价值。不过，未来还需要进一步研究 ZnO-CM 在不同病原体和疾病模型中的疗效、安全性及潜在副作用，通过优化剂量、探索合适的给药途径以及研究与现有疗法的协同效应，推动其临床应用，为解决抗生素耐药和细菌感染问题贡献更多力量。

总的来说，这项发表在《Journal of Nanobiotechnology》上的研究成果为生命科学和健康医学领域带来了新的曙光，让人们在对抗沙门氏菌感染的道路上迈出了重要一步。