背景介绍

抗生素耐药性和生物膜感染已成为全球公共卫生的重大威胁。多重耐药病原体的出现显著增加了感染相关疾病的死亡率。尤其生物膜的形成进一步加剧治疗的难度，其分泌的细胞外聚合物构成物理屏障，使细菌能有效抵御宿主免疫和传统抗菌药物的渗透，导致慢性感染反复发作。根据Nature Reviews Microbiology的研究统计，现行治疗方案主要依赖针对细菌关键代谢过程的抗生素，但面对耐药菌或生物膜感染时往往需要大剂量重复用药并结合手术清创，这不仅延长疗程、增加医疗成本，还带来潜在药物副作用和不可预测的治疗风险。这些挑战突显了开发新型抗菌策略的迫切需求。而气体疗法因为其能够穿透细菌生物膜、无明显耐药性、改善伤口愈合等特点，是一种极具临床应用前景的抗菌疗法。

研究进展

以光为动力源激活光催化剂，产生治疗性气体和活性氧（ROS）这一特点，将光催化抗菌与气体疗法相结合，可精确控制气体分子的产生，并显示出协同或增强的抗菌功效，为细菌感染治疗提供了新的途径（图 1）。具体包括如下气体：

1、氢气：在光催化控制释放氢气领域，因氢气具有显著的抗凋亡、抗炎和抗氧化特性，能够诱导细菌膜破裂，破坏细胞内氧化应激平衡，造成DNA损伤，损害细菌能量代谢，最终导致细菌死亡，被视为是一种有效的抗菌剂。

2、一氧化氮：在光催化控制释放一氧化氮领域，因其在保护身体免受外源性病原体侵害方面起着关键作用，尤其是在特定浓度下，NO会对生物分子造成氧化损伤，导致细菌失活，因此被视为是一种强有力的抗菌剂。此外，当NO气体疗法与光催化抗菌策略相结合时，NO与ROS反应产生活性氮物种（RNS），其表现出更高的抗菌活性，从而显著提高了对细菌感染的治疗效果。

3、一氧化碳：在光催化控制释放一氧化碳领域，由于一氧化碳作为一种信号分子，在高浓度下可以与细菌的末端氧化酶相结合，进一步抑制细胞呼吸，从而杀死细菌。不仅如此，一氧化碳的半衰期相较与ROS更长，使其能够渗透到生物膜内部进行杀伤。近些年的研究也发现了一氧化碳可以增强巨噬细胞清除致病菌的活性，因此备受广泛关注。

4、氧气：在光催化控制释放氧气领域，糖尿病伤口的特点通常是缺氧环境，这一情况会进一步损害伤口部位的血液供应、剥夺营养物质和氧气。而氧气是伤口愈合（如血运重建、组织重塑）和抵御感染的重要营养。面对伤口感染，免疫细胞需要氧气通过呼吸爆发途径产生大量ROS，使其具有强大的抗感染能力。

展望

尽管光催化控制气体疗法在对抗感染方面表现出卓越的治疗效果，但仍有几个重大挑战需要解决。虽然光催化和气体疗法都显示出广泛的抗菌潜力，但它们的具体作用机制需要更深入的研究，以充分利用它们在抗感染应用中的能力；人们对光催化的抗菌作用进行了广泛的研究，但对正常组织的潜在影响仍未得到充分探索；气体分子通常作为生理信号分子发挥作用，调节各种生物过程，这使气体治疗的临床转化变得复杂；气体疗法的抗菌效果与气体产生性能密切相关。目前的研究主要依赖于体外实验来量化气体的产生；然而，目前仍缺乏有效的体内气体释放监测方法；在体外和体内环境中，抗菌活性所需的最小剂量缺乏标准化。

该工作以“Gas-Generating Photocatalytic Agents for Bacterial Infection Treatment”为题发表在Research期刊。《Research》是中国科协和美国科学促进会联手打造的全新综合性期刊，是《Science》自1880年创建以来第一本合作期刊，中科院分区为综合性期刊1区 Top期刊，目前影响因子8.5。

该文Yanling Hu为该论文第一作者，福建医科大学Ning Li，我院杨栋梁副教授，南京大学Heng Dong为论文共同通讯作者。该工作得到了省自然科学基金等基金的支持。

论文链接：

https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0672

欢迎对光电磁响应型抗菌材料感兴趣的研究生和本科生加入的本课题组

联系方式:yangdl1023@njtech.edu.cn