基于表面修饰的抗黏附纳米酶在治疗大肠杆菌引起的相关疾病中的应用

本发明属于涉及生物医学与材料工程的交叉领域，具体涉及基于表面修饰的抗黏附纳米酶在治疗大肠杆菌引起的相关疾病中的应用。

背景技术：

1、肠道、呼吸道和尿路细菌的粘附是微生物与宿主相互作用的重要环节。这一粘附过程不仅是为了微生物在宿主体内定植，也是引发疾病的先决条件。当细菌附着在宿主细胞表面时，它们可以逃避宿主免疫系统和机体的自然清洁机制，比如粘液清除和纤毛运动等，提高了对抗生素和免疫因子的耐受性。这种状态下的细菌更有效地利用宿主提供的营养资源，这加强了它们在宿主内繁殖和感染的能力。因此，微生物的粘附状态对于其在宿主内生存和引发疾病的机制至关重要。

2、在宿主受到病原微生物侵袭的早期阶段，干预细菌的粘附过程是预防和治疗疾病的潜在有效手段。特别是在尿路感染领域的研究中，尿路致病性大肠杆菌(upec)引起的感染一直备受关注。upec具有能够频繁侵袭尿道黏膜并引发感染的能力。这种细菌的黏附机制是其在引发尿路感染中的关键因素。因此，了解细菌粘附机制的细节可以提供更深层次的干预和预防策略。例如，upec的附着依赖于其表面特定的菌毛结构和黏附素(如fimh蛋白)，这些结构使其牢固地粘附在尿道上皮细胞上。通过了解这些粘附因子的作用机制，可以发展针对这些因子的干预手段，例如开发特定的抗粘附药物或疫苗，阻止细菌附着在宿主上皮表面，从而预防多种感染性疾病的发生。

3、尿路感染是一种易频繁感染的疾病，目前通常使用抗生素治疗，由于频繁感染导致抗生素使用泛滥且会使细菌对抗生素产生耐药性，使得治疗尿路感染等感染性疾病变得更加困难。同时这些治疗可能导致阴道和胃肠道正常微生物群的长期改变，破坏机体的正常平衡状态。

4、另一方面，尿路感染引起的炎症响应是引发组织损伤的重要原因之一。当尿路受到细菌感染后，机体的免疫系统会发出炎症信号，以应对感染。这种炎症反应通常涉及免疫细胞的迁移和炎性介质的释放，旨在清除病原微生物。然而，这种过度的免疫反应有时会导致炎症发生，可能对宿主组织造成损伤。在尿路感染中，细菌或其毒素释放的化学物质可能导致尿道、膀胱和其他尿路组织的炎症，可能会引起疼痛、肿胀和组织损伤。长期或严重的炎症反应可能会对尿路组织产生持续的不良影响，甚至导致组织瘢痕和功能障碍。此外，炎症的发生可能会破坏上皮细胞从而增加血管通透性，导致液体和免疫细胞渗出到感染区域，可能造成组织水肿和疼痛。这些因素共同促成了尿路感染引发的炎症响应对宿主组织的损伤。因此，尽管免疫反应对于清除感染是至关重要的，但控制和调节炎症响应以减少对宿主组织的损伤也是治疗尿路感染过程中的重要考虑因素。有效的治疗方法不仅仅需要消除感染源，还需减轻炎症引起的相关症状和组织损伤，有助于提高患者的舒适度并加速康复过程。

5、研究表明，纳米酶材料作为一种新兴的纳米药物，具有模拟天然酶的能力。针对于各种炎症的治疗，目前大量的研究证明可以利用纳米酶的抗氧化活性消除疾病过程中的过量ros，缓解过度的炎症反应给机体造成的损伤。利用如普鲁士蓝pb，氧化铈ceo2，mn3o4等高活性纳米酶成功实现了对于心脑血管疾病、炎症性肠炎、缺血再灌注造成的损伤等治疗。但是单纯的纳米酶材料无法实现期望的抗黏附功能，需要进行表面修饰，赋予其本身不具备的性能。同时，针对于尿路感染的具体情况，采取尿路冲洗策略不适合清除上尿路的黏附细菌，因此采取肾脏代谢的方式是最佳的选择。

6、基于表面修饰的抗黏附型纳米酶材料的制备和应用现阶段存在的难点：(1)需要制备高活性抗氧化型纳米酶，并探寻合适的方式进行肾脏代谢治疗；(2)现阶段没有利用纳米酶进行尿路感染的实体治疗；(3)现阶段还没有将抗黏附策略和抗炎策略相结合进行尿路感染治疗的案例。

7、所以，针对临床现实状况，充分考虑尿路感染的机理和治疗的特殊性，急需一类用于治疗、缓解和/或预防致病性大肠杆菌附着在宿主上皮细胞引发的尿路感染疾病的纳米酶及其相关的疗法。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的不足，本发明首先提出通过表面修饰的方法赋予抗氧化型纳米酶抗黏附的能力，进而治疗因致病性大肠杆菌附着在上皮细胞而导致的一系列疾病的理想方法。因此，本发明首次提出利用抗黏附纳米酶，在通过肾脏代谢的情况下，利用纳米酶的多种类酶活性，如类超氧化物歧化酶(sod)、类过氧化氢酶(cat)活性等，对细菌侵染引发的炎症响应进行调控，利用表面修饰的功能分子缓解细菌对细胞表面及非生物器件表面的黏附定植以实现相关疾病的治疗、缓解和/或预防。本发明提供了超小抗黏附纳米酶可以有效的进行肾脏代谢，避免了纳米酶潜在的纳米毒性问题，本发明所要解决的技术问题是提供了基于表面修饰抗黏附纳米酶在治疗、缓解和/或预防致病性大肠杆菌附着在宿主上皮所引起的相关疾病中的应用。

2、技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提供了基于表面修饰的抗黏附纳米酶在制备预防、缓解和/或治疗大肠杆菌引起的相关疾病的药物中的应用。

3、本发明的纳米酶为多种能够抑制致病性大肠杆菌附着在宿主上皮上的抗黏附型纳米酶。所述的致病性大肠杆菌附着在宿主上皮需要通过细菌菌毛凝集素和宿主上皮细胞上特异性受体进行结合进而促进后续的黏附和定植过程。所述抗黏附纳米酶可以用于缓解由所述致病性大肠杆菌引起的尿路感染及其所引发的过度炎症响应。所述抗黏附型纳米酶是指将纳米酶进行表面后修饰或用纳米酶前驱体原位合成纳米酶时直接进行表面修饰得到的纳米酶。本发明利用抗黏附纳米酶在特定环境中的ros消除能力和抗黏附能力，以缓解细菌侵染过程中引发的过度炎症响应和减少细菌对于上皮细胞的黏附。

4、其中，所述基于表面修饰的抗黏附纳米酶是指将纳米酶进行表面后修饰或用纳米酶前驱体原位合成纳米酶时直接进行表面修饰得到的纳米酶。

5、其中，所采用用于纳米酶的表面修饰物质，包括但不限于聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、明胶、聚苯乙烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚乳酸、聚丙烯醚、聚丙烯酸乙烯酯、聚乙二醇、聚乙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯吡啶、聚乳酸-共-聚乙二醇、聚丙烯酸甲酯、聚乙烯丙烯酸酯、聚乙烯醇乙二醇、聚乳酸-共-聚乙烯醇、聚丙烯酸甲酯醚、聚丙烯醚硫醚、聚乙二醇丙烯酸酯、聚丙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇丙烯酸甲酯、聚糖中一种或者多种的组合；优选地，所述的表面修饰物质以葡萄糖、甘露糖、半乳糖、果糖等含氧单体为基本单元，可以是单糖、多糖或聚糖，或是它们的组合。这些聚糖可以是仅由糖单元构成的聚糖，也可以是含有烷基或以芳香环为主链或支链的化合物中的一种或几种。优选地，所述的表面修饰的化合物为聚糖。优选地，所述的表面修饰的聚糖为葡聚糖。

6、其中，所述纳米酶前驱体包括无机金属盐前体、有机金属盐前体、贵金属前体、碳基前体或有机金属框架前体中的一种或几种，将纳米酶表面后修饰或表面修饰的物质包括单糖、多糖或聚糖中的一种或几种。

7、其中，所述纳米酶为贵金属基纳米酶、氧族金属化合物基纳米酶、mof基纳米酶或碳基纳米酶，作为优选，所述贵金属基纳米酶包括金纳米酶、铱纳米酶、银纳米酶、铂纳米酶、钯纳米酶、铑纳米酶、钌纳米酶或合金纳米酶中的一种或几种；作为优选，所述氧族金属化合物基纳米酶包括氧化铈基纳米酶、氧化锰基纳米酶、氧化铜基纳米酶、氧化铁基纳米酶、氧化镍基纳米酶、氧化钴基纳米酶、氧化锆基纳米酶、氧化铪基纳米酶、氧化镧基纳米酶、氧化钛基纳米酶、硫化铈基纳米酶、硫化锰基纳米酶、硫化铜基纳米酶、硫化铁基纳米酶、硫化镍基纳米酶、硫化钴基纳米酶、硫化锆基纳米酶、硫化铪基纳米酶、硫化镧基纳米酶、硫化钛基纳米酶、硒化铈基纳米酶、硒化锰基纳米酶、硒化铜基纳米酶、硒氧化铁基纳米酶、硒化镍基纳米酶、硒化钴基纳米酶、硒化锆基纳米酶、硒化铪基纳米酶、硒化镧基纳米酶、硒化钛基纳米酶中的一种或几种；作为优选，所述mof基纳米酶包括铁基mof纳米酶、锌基mof纳米酶、铜基mof纳米酶、锆基mof纳米酶、铪基mof纳米酶、钒基mof纳米酶、镁基mof纳米酶、铝基mof纳米酶、金属掺杂的mof米酶的一种或几种；作为优选，所述碳基纳米酶包括还原型石墨烯、氧化型石墨烯、石墨炔、碳纳米管、足球烯、碳基单原子纳米酶的一种或几种。

8、其中，所述mof有机配体的金属前驱体包括但不限于为铁离子、钴离子、镍离子、锌离子、铝离子、镧离子、镉离子、铜离子、锆离子、铪离子、钯离子、钡离子、铅离子、铑离子中一种或多种的组合；优选地，所述mof有机配体的金属前驱为硝酸铁、氯化铁、硝酸钴、氯化钴、醋酸镍、硝酸镍、醋酸铜、硝酸铜、亚铁氰化钾、铁氰化钾、六氰合钴酸钾等一种或多种的组合；优选地，所述mof有机配体的金属前驱体为亚铁氰化钾、铁氰化钾。

9、其中，所述无机金属盐前体包括铁离子、铜离子、镍离子、铝离子、锌离子、钙离子、铅离子、锰离子、铬离子、钴离子、钛离子、钾离子、钠离子、镁离子、银离子、铈离子、锆离子、钒离子、钼离子、铪离子或者相应的金属氧酸盐离子中的一种或多种的组合；作为优选，所述纳米酶前驱体包括硝酸铈、氯化铁、硝酸铁、氯化锰、硝酸锰、氯化镍、氯化锆、硝酸镍、氯化铜、硝酸铜、氯化铪或者氯化锆中的一种或更多种的组合；作为更优选地，所述纳米酶前驱体包括硝酸铈。

10、其中，所述纳米酶前驱体包括丁二酮锰、丁二酮铁己二酮镍、己二酮铝、辛二酮铜、辛二酮铁、癸二酮钴、癸二酮锰、甘氨酸镍、甘氨酸铜、丙氨酸铁、丙氨酸锌、赖氨酸钴、赖氨酸镍、脯氨酸银、脯氨酸铁、乙酰丙酮铈、乙酰丙酮锰、乙酰丙酮锆、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮镍、乙酰丙酮铜、乙酰丙酮铪、乙酰丙酮钴、乙酸铅、乙酸镍、丙酸钴、丙酸铁、戊酸锰、戊酸铜、辛酸铝和辛酸银等中的一种或更多种的组合；作为优选，所述纳米酶前驱体包括乙酰丙酮铈。

11、其中，所述贵金属前体包括金离子、银离子、铂离子、铱离子、钯离子、铑离子等一种或多种的组合；优选地，所述贵金属前体包括三苯基膦氯化铑、甲酸铑、乙二酮氯化铑、氯化铱酸铵、乙二酮铱、三苯基膦氯化铱、氯金酸、三苯基膦氯金、氧化金、二氯化钯、三苯基膦氯化钯、氧化钯、硝酸银、氯化银、硝酸银酰胺、硫酸银、硝酸银氨、氯铂酸、硝酸铂、四氯合铂酸钠、乙二酮铂等中的一种或多种的组合；优选地，所述贵金属前体包括氯金酸。

12、其中，所述聚糖为葡聚糖，所选的葡聚糖重均分子量包括但不限于1k，2k，10k，20k，40k，70k，110k中的一种或几种，优选地，所述葡聚糖的重均分子量为40k。

13、其中，所述纳米酶的制备方法包括但不仅限于以下方法：将纳米酶的前驱体与修饰物质进行混合，原位实现抗黏附纳米酶的合成。

14、本发明包含的抗黏附纳米酶合成方法具体包括以下步骤：

15、(1)纳米酶前驱体溶液a的配制：溶剂优选为乙醚、丙酮、甲醇、乙醇、环己烷、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、甲苯、氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、四氢呋喃、乙酸、丙酮酸、氯化乙烯、乙腈、甲苯二甲酸二丁酯、乙二醇、丙三醇、水的一种或更多种；纳米酶前驱体优选为硝酸铈、乙酰丙酮铈、氯化铈的一种或更多种；

16、(2)表面修饰化合物溶液b的配制：溶剂优选为二甲基亚砜、乙二醇、丙三醇、水的一种或更多种；表面修饰化合物优选为10k、20k、40k，70k葡聚糖中的一种或更多种；

17、(3)充分混合a和b溶液，搅拌以加大前驱体与修饰化合物的接触；

18、(4)将所述碱性物质(如氢氧化钠、氢氧化钾、浓氨水、三乙胺、丙二胺、吡啶、甲基胺、乙基胺、丙胺、异丙胺中的一种或多种)加入步骤(3)所得混合溶液中反应；

19、(5)降温并收集产物，进行如离心、透析、干燥处理的一种或多种。

20、其中，所述的致病性大肠杆菌附着在宿主上皮需要通过细菌菌毛凝集素和宿主上皮细胞上特异性受体进行结合进而促进后续的黏附和定植过程。所述抗黏附纳米酶可以用于缓解例如由所述致病性大肠杆菌引起的尿路、肺和胃肠道感染及其所引发的过度炎症响应。

21、在一个实施方案中，所述致病性大肠杆菌引起的尿路、肺和胃肠道感染及其所引发的过度炎症响应；优选致病性大肠杆菌引起的尿路感染及其所引发的过度炎症响应。

22、在一个实施方案中，所述疾病在病灶部位还具有外来植入物；优选地，所述疾病为导尿管相关的尿路感染。

23、有益效果：与现有技术相比，本发明具备以下显著优点：

24、1、减少用药量和药物种类：本发明通过抗黏附纳米酶利用修饰物的抗黏附性能和纳米酶本身的抗炎性能对于尿路感染进行治疗。一方面，利用纳米酶的类酶催化活性调控尿路环境的氧化应激水平，最终起到相关治疗作用。另一方面，特殊的表面修饰赋予了纳米酶阻断细菌黏附的能力，这种效果不会影响细菌的耐药水平，且不会破坏体内菌群的平衡。这种联合作用可以以不用药或少用药(抗生素及消炎药)的辅助治疗方式可实现对疾病的长期调控，减少传统治疗中长期、大剂量用药所带来的并发症和经济负担。

25、2、使用安全，满足临床需要：超小抗黏附纳米酶可以经过肾脏代谢出体外，具有较高的安全性。更重要的是，本发明专利将可肾脏代谢的纳米酶用于尿路感染治疗，减轻了上尿路的感染情况，缓解了肾脏以及膀胱中的炎症状况，满足临床的治疗需求。

26、3、高效的ros消除能力：由于纳米酶消除ros作用的机制与传统抗氧化药物分子不同，抗氧化剂作为一种高消耗性的药物分子消除ros，所维持ros消除能力的前提是足够的摄取。本发明中所用的ros消除纳米酶，是一类具有sod和cat类活性的酶模拟物，这种类酶催化作用使纳米酶通过消除ros治疗尿路感染炎症相关疾病，作用高效且副作用低。

27、4、制备工艺简单、原料等成本低，便于工业化生产和临床转化。