脚气克星！南昌大学光健康团队开发基于黄光+超声的真菌快速清理技术

问

真菌感染严重吗？

真菌感染被认为是一场公认的重大的健康危机，其死亡率现已超过全世界的疟疾和乳腺癌。

答

问

它由什么引起呢？

它通常由念珠菌为代表的、隐球菌和曲霉菌等致病菌引起，其中侵袭性念珠菌病是最大的挑战之一。由于这类真菌感染往往具备高侵袭深度，且易在皮下形成生物膜等特征，进一步增加了治疗的难度。目前，以唑类药物为代表的抗真菌剂是最典型的一线策略，但由于真菌和人类宿主之间的相似性，强抗真菌剂容易表现出较高的细胞毒性。并且，此类抗真菌剂的长期使用，还可能导致病原体耐药性的发展。因此，有必要开发一种安全且有效的治疗真菌感染的无抗生素策略。

答

近期，南昌大学光健康团队在ACS NANO上发表了题为“Traditional Herb (Moxa) Modified Zinc Oxide Nanosheets for Quick, Efficient and High Tissue Penetration Therapy of Fungal Infection”的工作。

在这项工作中，研究人员将传统中药艾草炭化后修饰ZnO纳米材料，制备出一种具有黄光（YL）和超声（US）双响应性的窄带隙材料（CMZ），用于协同抗真菌治疗。在US和YL辐照下，CMZ通过压电-光催化作用产生大量活性氧（ROS），进而干扰真菌毒力、代谢活动、菌丝生长、生物膜发育相关基因的表达，实现高效根除浮游白色念珠菌（C. albicans）及其成熟生物膜。尽管隔着1.00 cm厚的组织屏障，CMZ能够快速灭活99.9%的C. albicans，显示出良好的体外深层抗真菌功效。此外，基于CMZ的抗真菌策略的体内功效在两种真菌感染模型（开放性伤口感染和深层皮肤感染）中得到证明，表现出优于传统抗真菌剂酮康唑（达克宁）的疗效（图1）。

图1. 基于CMZ的US和YL平台用于C. albicans引起的开放性伤口和皮下感染的治疗示意图。

CMZ的合成和表征

在本项研究中，研究人员将传统中药艾绒通过低温炭化的方法制备出炭化艾绒（CM），接着采用水热法将氧化锌（ZnO）修饰在CM表面，成功合成了US和YL双响应性的炭化艾绒@氧化锌（CMZ）。结果显示，与传统宽带隙的ZnO相比，CMZ具备更窄的能带间隙（2.00 eV），有利于其响应US和YL实现更好的压电-光催化效果（图2）。

图2. CMZ的合成与表征

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CMZ的压电-光催化性能

接着，系统表征了CMZ的压电-光催化性质和机理。在该研究中，选择了代表性ROS探针，包括氮蓝四唑（NBT）、对苯二甲酸（TA）和1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF），分别用于超氧阴离子自由基（•O2−）、羟基自由基（•OH）和单线态氧（1O2）的检测。同时，通过电子自旋共振（ESR）光谱分析进一步验证了准确的ROS类型。如图3所示，CMZ能够响应US和YL有效地生成•O2−、•OH和1O2，并表现出一定的时间依赖性。另外，对CMZ的能带间隙、电化学阻抗谱（EIS）和XPS价带光谱进行了综合分析。结果显示，CMZ具有优化的电子输运界面，有利于在US激发下加速电子（e−）和空穴（h+）的分离与迁移，促进ROS的产生效率，从而增强光催化性能。由此得出CMZ在US和YL辐照下产生ROS的可能机制，即压电-光催化效应

图3. CMZ的压电-光催化性能

抗真菌和抗生物膜的性能

以具有代表性的真菌物种之一的浮游生物C. albicans为真菌模型，研究CMZ结合US和YL体系的体外抗真菌效率。结果显示，在US和YL辐照下，CMZ对C. albicans表现出高致死率（约100%），且优于KTZ的抗真菌效果，表明CMZ、US和YL起到了显著的协同抗真菌作用。同时证明了该体系能有效抑制真菌生物膜的形成，并破坏成熟的真菌生物膜。随后，研究发现其抗真菌途径可能是压电-光催化过程产生的ROS导致真菌细胞膜的严重破坏，进而诱导蛋白质的泄漏并干扰其代谢过程，最终实现抗真菌（图4）。此外，研究人员对C. albicans进行转录组测序（RNA-seq）分析，并揭示出潜在的抗真菌靶点和相应的抗生物膜机制。根据图5可知，CMZ + US + YL主要通过调控真菌毒力、代谢活动、菌丝生长、生物膜发育相关基因的表达，实现高效根除浮游C. albicans及其生物膜。

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图4. 抗真菌及其生物膜的性能

图5. 基因转录组分析

体外生物相容性评价

除了出色的抗真菌性能外，良好的生物相容性也是生物材料用于医学领域的先决条件。通过CCK-8和活/死细胞染色测试证实了CMZ对人脐静脉内皮细胞（HUVECs）没有明显的毒性。分析红细胞溶血率实验数据可得，材料组的溶血率低于5%，且红细胞形态与对照组（生理盐水）相似，呈现出双面微凹的圆盘状，表明CMZ的血液相容性良好。另外，还证明了基于CMZ的US和YL的治疗系统是安全的（图6）。

图6. CMZ的体外生物相容性评价

开放性真菌感染创面的治疗

以C. albicans感染的Sprague Dawley（SD）大鼠全层皮肤创面为模型，考察了该体系在体内的抗真菌和促愈合作用。对开放真菌感染伤口的闭合过程和愈合指标进行了较为详实的监测和分析。如图7所示，CMZ、US和YL协同抗真菌系统治疗C. albicans感染创面的功效显著，主要体现在真菌菌落少、伤口愈合速度快、组织纤维高度有序和炎症因子水平低等方面。

图7. C. albicans感染创面的治疗

皮下真菌感染的治疗

在真菌感染创面治疗的基础上，本研究使用Balb/c小鼠构建皮下C. albicans感染模型，评估该体系深部抗真菌的性能。结果表明，经CMZ + US + YL治疗后，在该组小鼠中几乎观察不到结节，且治疗效果优于KTZ组（图8）。同时，CMZ + US + YL组抑制真菌的效率远高于其他组，体现出清除深部真菌的有效性。H&E染色和免疫组织化学分析结果显示，该组小鼠的皮肤组织具有相对完整的组织学结构，且炎症反应得到显著改善。另外，不论是新生血管的生成还是胶原蛋白的沉积，该体系都显示出良好的促进作用，有利于皮下真菌感染组织结构和功能的修复。因此，基于CMZ的US和YL治疗平台在深部真菌感染模型中发挥有效的治疗作用。

图8. 皮下真菌感染的治疗

小结

基于真菌感染的高侵袭深度和高治疗难度等问题，构建出由US和YL推进的CMZ深部抗真菌平台，实现了真菌感染的快速治疗。窄带隙的CMZ具备US和YL双响应性，能够通过压电-光催化作用产生大量ROS，快速根除浮游C. albican及其生物膜。潜在抗真菌机制涉及内在ROS产生以及生物学过程干扰，包括真菌毒力因子、氧化应激相关基因、铁代谢相关基因、菌丝发育相关基因以及生物膜形成相关基因。动物实验证明，该抗真菌平台在两种真菌感染模型（开放性伤口感染和深层皮肤感染）中表现出出色的治疗能力，且优于传统抗真菌剂KTZ的疗效，包括深层真菌快速清理与感染组织有效修复。综上所述，由US和YL推进的CMZ抗真菌体系为真菌感染提供了一种有前途的替抗策略，也有望治疗其他更深部位的感染疾病（如细菌性肺炎、幽门螺杆菌感染）。

【作者及团队介绍】

青年长江学者、国家级百千万人才（医疗器械方向）、国家有突出贡献中青年专家、享受国务院特殊津贴专家、二级教授，省政协常委，博士生导师。现任南昌大学际銮书院院长，主要研究领域为光响应医用材料的设计和应用。

师承于江西省国医名师宋南昌教授及徐少廷门下大弟子郑怀岳老师，在脊椎相关疾病治疗学上有较深的临床经验与心得，现任南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心康复保健部主任，南康区健康管理中心副主任，南昌大学“双一流”学科特区光健康及新材料中医康复疗法助理研究员。现任江西省康复医学会康复治疗委员会委员；江西省康复医学会康复治疗教育委员会委员；江西省中医药学会中医外治委员会委员；赣南医学院外聘康复讲师；南昌工学院体育学院外聘运动康复讲师；南昌市康复医学会理事。

翁珍珍（第一作者）

南昌大学化学化工学院2021级博士研究生。以第一作者在ACS Nano、Advanced Healthcare Materials等期刊上发表SCI论文4篇，主持江西省研究生创新专项资金项目1项。曾获2023年江西省研究生“十佳实践之星”荣誉称号。

资助信息

该项工作受到国家自然科学基金、南昌大学光健康国家一流学科特区建设基金、江西省重点研发计划项目、江西省研究生创新专项基金等项目的支持。

筑牢安全第一线

（来源：江西应急管理）

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来源 | 南昌大学光健康国家一流学科特区实验室

编辑 | 刘妍

责编 | 欧阳仟

审核 | 饶勇、廖元新、邱晓怡

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