The thesis is focused on designing advanced NCMs for overcoming the increasing problems caused by MDR bacteria. Owing to the highly efficient ROS-producing antibacterial ability, the NCMs show great potential in combating MDR bacterial infection. To achieve satisfactory therapeutic effects, it is of vital importance to further increase the biosafety by localizing the ROS in bacterial infection sites or get rid of the addition of toxic substrate. In this thesis, by rational designing the compositions, a series of advanced NCMs have been successfully synthesized for overcoming the MDR bacterial infection. In the first project, a nanohook-equipped NCM, Ni@Co-NC, was designed for localized NIR-assisted MDR bacterial biofilm eradication. The unique nanohook-like CNTs on the surface endowed the NCM with inherent bacterial binding ability, which increased bactericidal efficacy and meanwhile confined the ROS in bacterial infection sites. Besides, thanks to the acidic preferential catalytic effect, Ni@Co-NC only produced toxic •OH in biofilm microenvironment (pH~5.5) and kept uninjurious in physiologic pH (~7.4). Under irradiation of a NIR laser, Ni@Co-NC was able to convert light to heat, which synergistically promoted the bactericidal efficacy. As a result, no recurrence was observed for both in-vitro and in-vivo biofilm after treatment with Ni@Co-NC. It is believed that the proposed Ni@Co-NC can be a promising medicine for treating MDR bacterial topical infections. In the second project, a bacteriophage-based NCM, QD@Phage was designed for anti- MDR-bacteria-targeting therapy. Inheriting the bacterial targeting infectivity of phage, the QD@Phage was able to target host bacteria. Afterwards, the QD locally generated ROS to further enhance bactericidal activity under irradiation of visible light. As a result of the synergistic bactericidal modalities, by over 99.9% and over 99% reduction for planktonic bacteria and biofilm, respectively, were noticed after treatment with QD@Phage. The application as a wound disinfector has been verified by in-vivo experiments, which showed that QD@Phage effectively eliminated the bacterial colonization in wound and accelerated the wound healing. This project provides an inspiration for designing highly bacteria-targeted NCM. It is also expected that more bacteriophage-based NCMs with NIR-responsiveness or ultrasound-responsiveness can be successfully developed by using the proposed method, so that deep MDR bacterial infection can also be easily handled in near future. In the third project, a GOx-POD dual-enzyme-mimetic NCM, Au@CuBCats was synthesized for combating MDR bacterial diabetic ulcers. The Au@CuBCats was able to first catalyze the glucose to generate H2O2, then in situ converted the H2O2 to bactericidal •OH, thus controlling the glucose and bacteria level in diabetic ulcers in the same time. The DFT study confirmed the better POD-mimetic property of the proposed copper single-atom CuN2O1 structure than other state-of-art copper single- atom sites (CuN4 and CuN3), since a whole reaction path from initiating dissociation of H2O2 to •OH releasing are kinetically accessible. The in vitro antibacterial experiments confirmed the robust bacterial killing effect of Au@CuBCats against both gram- positive and gram-negative MDR bacterial strains. Furthermore, in vivo MDR bacterial diabetic ulcer models demonstrated the Au@CuBCats significantly promoted the ulcer healing without leading to inflammation. It is believed that this multi-enzyme mimetic NCM has great potential in treating MDR bacterial diabetic ulcers. In summary, the thesis carefully studied not only the antibacterial effect in vitro and in vivo, but also the biosafety of three advanced NCMs. Besides, the catalytic performance and antibacterial mechanisms of each NCM have been systematically discussed. Proved by three projects, the NCM have a great potential in achieving safe in vivo MDR- bacterial infection eradication. Also, it is anticipated that this thesis provides new inspirations for the next-generation NCM-based antibacterial medicines.
Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung neuartiger NCMs zur Bewältigung der zunehmenden Probleme, die durch MDR-Bakterien verursacht werden. Aufgrund der hocheffizienten ROS-produzierenden antibakteriellen Fähigkeit zeigen die NCMs großes Potenzial bei der Bekämpfung von MDR-Bakterieninfektionen. Um eine zufriedenstellende therapeutische Wirkung zu erzielen, ist es von entscheidender Bedeutung, die Biosicherheit weiter zu erhöhen, indem die ROS an bakteriellen Infektionsherden lokalisiert werden oder auf die Zugabe von toxischen Substraten verzichtet wird. In dieser Arbeit wurde durch rationales Design der Zusammensetzungen eine Reihe von neuartiger NCMs erfolgreich synthetisiert, um die bakterielle MDR-Infektion zu überwinden. Im ersten Projekt wurde ein mit Nanohaken ausgestattetes NCM, Ni@Co-NC, für die lokalisierte NIR-unterstützte Eradikation von MDR-Bakterien-Biofilmen entwickelt. Die einzigartigen nanohakenartigen CNTs auf der Oberfläche verliehen dem NCM eine inhärente bakterielle Bindungsfähigkeit, die die bakterientötende Wirksamkeit erhöhte und gleichzeitig die ROS in den bakteriellen Infektionsstellen einschränkte. Dank der sauren präferentiellen katalytischen Wirkung produzierte Ni@Co-NC toxisches •OH nur in der Biofilm-Mikroumgebung (pH~5,5) und blieb bei physiologischem pH (~7,4) unschädlich. Bei Bestrahlung mit einem NIR-Laser konnte Ni@Co-NC Licht in Wärme umwandeln, was die bakterientötende Wirkung synergistisch förderte. Infolgedessen wurde nach der Behandlung mit Ni@Co-NC kein Wiederauftreten des Biofilms in vivo und in vitro beobachtet. Es wird postuliert, dass das Ni@Co-NC ein vielversprechender Wirkstoffkandidat zur Behandlung von bakteriellen MDR-Infektionen ist. Im zweiten Projekt wurde ein auf Bakteriophagen basierendes NCM, QD@Phage, für eine gegen MDR-Bakterien gerichtete Therapie entwickelt. Der QD@Phage übernahm die bakterielle Infektiosität des Phagen und war in der Lage, Wirtsbakterien anzusprechen. Anschließend erzeugten die QD lokal ROS, um die bakterientötende Aktivität unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht weiter zu verstärken. Als Ergebnis der synergistischen bakteriziden Modalitäten wurde nach der Behandlung mit QD@Phage eine Reduktion von über 99,9% bei planktonischen Bakterien und über 99% bei Biofilmen festgestellt. Die Anwendung als Wunddesinfektionsmittel wurde durch in- vivo Experimente verifiziert, die zeigten, dass QD@Phage die bakterielle Besiedlung in der Wunde wirksam beseitigten und die Wundheilung beschleunigten. Dieses Projekt bietet eine Inspiration für die Entwicklung des bakterienspezifischen NCM. Es wird erwartet, dass mehr Bakteriophagen-basierte NCMs mit NIR- oder Ultraschall- Empfindlichkeit erfolgreich mit unseren Methode entwickelt werden, so dass tiefe bakterielle MDR-Infektionen in naher Zukunft auch leicht behandelt werden. Im dritten Projekt wurde ein GOx-POD dual-enzym-mimetisches NCM, Au@CuBCats, zur Bekämpfung von MDR-bakteriellen diabetischen Geschwüren synthetisiert. Au@CuBCats konnten zunächst die Glukose katalysieren, um H2O2 zu erzeugen, und dann in situ das H2O2 in bakterientötendes •OH umzuwandeln, wodurch der Glukose- und Bakterienspiegel in diabetischen Geschwüren gleichzeitig kontrolliert wurde. Die DFT-Studie bestätigte die bessere POD-mimetische Eigenschaft der vorgeschlagenen CuN2O1-Struktur im Vergleich zu anderen einatomigen Kupferstrukturen, da der gesamte Reaktionsweg von der beginnenden Dissoziation von H2O2 bis zur Freisetzung von •OH kinetisch zugänglich ist. Die in vitro antibakteriellen Experimente bestätigten die robuste bakterientötende Wirkung von Au@CuBCats gegen beide MDR- Bakterienstämme. Außerdem zeigten in-vivo-Versuche, dass Au@CuBCats die Heilung von diabetischen Geschwüren signifikant fördern, ohne Entzündungen zu verstärken. Es wird davon ausgegangen, dass dieses mimetische Multienzym NCM ein großes Potenzial für die Behandlung von MDR-bakteriellen diabetischen Geschwüren hat. Zusammenfassend hat diese Arbeit nicht nur die antibakterielle Wirkung in vitro und in vivo untersucht, sodern sie auch die biologische Sicherheit von neuartigen NCMs bewertet. Außerdem wurden die katalytischen Eigenschaften und die antibakteriellen Mechanismen der einzelnen NCM systematisch diskutiert. In drei erfolgreiche Projekten wurde gezeigt, dass die NCM ein großes Potenzial für die sichere Beseitigung von MDR-Bakterieninfektionen haben. Es wird erwartet, dass diese Arbeit neue Inspirationen für die nächste Generation von antibakteriellen Medikamenten auf NCM- Basis liefert.
