酸素ナノバブルの放出を制御できるグラフェン/CuO2ナノシャトルで細菌の呼吸を阻害する

Graphene/CuO2 Nanoshuttle with Controllable Release of Oxygen Nanobubbles Promoting Interruption of Bacterial Respiration.

• Marziyeh Jannesari
• Omid Akhavan
• Hamid Reza Madaah Hosseini
• Bita Bakhshi

抄録

還元酸化グラフェン/過酸化銅（rGO/CuO2）ナノコンポジットをベースとした酸素ナノシャトルは、細菌感染症と闘うための酸素ナノバブル（O2 NB）をin-situで送達するために提示されています。rGOの存在下では、固体酸素源(すなわち、CuO2)は(pHや温度などの環境条件に応じて)より制御可能で長持ちする傾向にあるO2 NBに分解された(60〜144時間)。中性緩衝液中では、O2 NBは成長と崩壊を繰り返し、ナノコンポジットの周囲にダイナミックなマイクロ/ナノ環境を形成した。O2 NBは、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌に対して効果的な抗菌作用を示しただけでなく、グラム陰性大腸菌よりもグラム陽性黄色ブドウ球菌に対しても優れた抗菌作用を示しました。実際、rGOの含有量は、一方では呼吸電子を収穫し（細菌の呼吸経路を著しく阻害する）、もう一方ではO2 NBに移行し、ナノスケールの活性酸素種（ROS）を発生させることで相乗効果を発揮する可能性があります。さらに、近赤外レーザー照射は、局所的な熱上昇と機械的破壊をもたらすNBの放出・崩壊を触媒するという相乗効果により、細胞膜へのダメージを増大させることがわかった。私たちの結果は、O2を含むナノシャトルが、今後のグラフェンベースのナノバイオメディカルアプリケーションにおいて、インテリジェントで制御可能な感染症対策ナノロボットとして効果的に使用できることを示しています。

An oxygen nanoshuttle based on reduced graphene oxide/copper peroxide (rGO/CuO2) nanocomposite has been presented to deliver in-situ oxygen nanobubbles (O2 NBs) for combating bacterial infections. In the presence of rGO, the solid source of oxygen (i.e., CuO2) was decomposed (in response to the environmental conditions such as pH and temperature) into O2 NBs in a more controllable and long-lasting trend (from 60 to 144 h). In a neutral buffer, the O2 NBs experienced growth and collapse evolutions, creating a dynamic micro/nano-environment around the nanocomposite. In addition to effective battling against methicillin-resistance Staphylococcus aureus bacteria, the O2 NBs demonstrated superior antibacterial properties on Gram-positive Staphylococcus aureus than Gram-negative Escherichia coli bacteria especially in the presence of rGO. In fact, the rGO contents could provide synergistic effects through harvesting some respiratory electrons (leading to striking interruption of the bacterial respiratory pathway) in one side and transferring them into the O2 NBs, resulting in nanoscale reactive oxygen species (ROS) generation in another side. Moreover, near-infrared laser irradiation induced more damage to the cell membrane due to the synergistic effects of local heat elevation and catalyzing the release/collapse of NBs imposing mechanical disruptions. Our results show that the O2-containing nanoshuttles can effectively be used as intelligent and controllable anti-infection nanorobots in upcoming graphene-based nano-biomedical applications.