Ultrasound-Induced Abiotic and Biotic Interfacial Electron Transfer for Efficient Treatment of Bacterial Infection

电子转移 活性氧 电子传输链 非生物成分 生物物理学 化学 材料科学 纳米技术 光化学 生物 生物化学 生态学
作者
Yi Yu,Yuxuan Zeng,Qunle Ouyang,Xiangmei Liu,Yufeng Zheng,Shuilin Wu,Lei Tan
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (21): 21018-21029 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c03858
摘要

Electron transfer plays an important role in various catalytic reactions and physiological activities, whose altered processes may change catalytic efficiency and interfere in physiological metabolic processes. In this study, we design an ultrasound (US)-activated piezoelectric responsive heterojunction (PCN-222-BTO, PCN: porous coordination network), which can change the electron transfer path at the abiotic and abiotic-biotic interfaces under US, thus achieving a rapid (15 min) and efficient bactericidal effect of 99.96%. US-induced polarization of BTO generates a built-in electric field, which promotes the electron transfer excited from PCN-222 to BTO at the PCN-222-BTO interface, thereby increasing the level of reactive oxygen species (ROS) production. Especially, we find that the biological electron transfer from the bacterial membrane to BTO is also activated at the MRSA-BTO interface. This antibacterial mode results in the down-regulated ribosomal, DNA and ATP synthesis related genes in MRSA, while the cell membrane and ion transport related genes are up-regulated due to the synergistic damage effect of ROS and disturbance of the bacterial electron transport chain. This US responsive dual-interface system shows an excellent therapeutic effect for the treatment of the MRSA-infected osteomyelitis model, which is superior to clinical vancomycin therapy.
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