Biofilm Microenvironment-Responsive Nanotheranostics for Dual-Mode Imaging and Hypoxia-Relief-Enhanced Photodynamic Therapy of Bacterial Infections

生物膜 光动力疗法 光敏剂 微生物学 化学 抗菌剂 金黄色葡萄球菌 细菌 生物 光化学 遗传学 有机化学
作者
Weijun Xiu,Siyu Gan,Qirui Wen,Qiu Qiu,Sulai Dai,Heng Dong,Qiang Li,Lihui Yuwen,Lixing Weng,Zhaogang Teng,Yongbin Mou,Lianhui Wang
出处
期刊:Research [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:2020 被引量:95
标识
DOI:10.34133/2020/9426453
摘要

The formation of bacterial biofilms closely associates with infectious diseases. Until now, precise diagnosis and effective treatment of bacterial biofilm infections are still in great need. Herein, a novel multifunctional theranostic nanoplatform based on MnO2 nanosheets (MnO2 NSs) has been designed to achieve pH-responsive dual-mode imaging and hypoxia-relief-enhanced antimicrobial photodynamic therapy (aPDT) of bacterial biofilm infections. In this study, MnO2 NSs were modified with bovine serum albumin (BSA) and polyethylene glycol (PEG) and then loaded with chlorin e6 (Ce6) as photosensitizer to form MnO2-BSA/PEG-Ce6 nanosheets (MBP-Ce6 NSs). After being delivered into the bacterial biofilm-infected tissues, the MBP-Ce6 NSs could be decomposed in acidic biofilm microenvironment and release Ce6 with Mn2+, which subsequently activate both fluorescence (FL) and magnetic resonance (MR) signals for effective dual-mode FL/MR imaging of bacterial biofilm infections. Meanwhile, MnO2 could catalyze the decomposing of H2O2 in biofilm-infected tissues into O2 and relieve the hypoxic condition of biofilm, which significantly enhances the efficacy of aPDT. An in vitro study showed that MBP-Ce6 NSs could significantly reduce the number of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) in biofilms after 635 nm laser irradiation. Guided by FL/MR imaging, MRSA biofilm-infected mice can be efficiently treated by MBP-Ce6 NSs-based aPDT. Overall, MBP-Ce6 NSs not only possess biofilm microenvironment-responsive dual-mode FL/MR imaging ability but also have significantly enhanced aPDT efficacy by relieving the hypoxia habitat of biofilm, which provides a promising theranostic nanoplatform for bacterial biofilm infections.
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