四川大学李继遥教授/邓怡研究员 Small：光响应生物异质结诱导免疫原性以防止感染复发并加速慢性创伤再生

2025-02-07 来源：高分子科技

动态治疗利用活性氧物种（ROS）对抗细菌感染并增强固有免疫系统以治疗细菌感染。如果ROS水平过低，则无法有效清除病原体并增强固有免疫。然而，ROS的过度积累可能会影响细胞内谷胱甘肽（GSH）水平，阻碍T细胞成熟和免疫记忆的建立。在此，设计了一种多功能的纳米纤维膜，包含一个聚合物支架、MXene/CeO?生物异质结（MX@Ce bio-HJs）和乳酸氧化酶（Lox）来平衡ROS的产生，用于治疗反复发作的细菌感染。在该系统中，MX@Ce bio-HJs在近红外（NIR）激光下通过光动力治疗（PDT）产生ROS，而Lox对创伤微环境的响应可发挥化学动力学治疗作用，协同产生ROS以快速消灭细菌，增强树突状细胞识别和呈递细菌片段的能力，并增强固有免疫。没有NIR的情况下，MX@Ce bio-HJs表现出类过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性，清除后续ROS积累，促进T细胞成熟以形成获得性免疫记忆，抗击反复发作的细菌感染。这项工作展示了在体抗击细菌感染和反复发作感染的潜力，并为未来抗细菌疗法的发展提供了灵感。

反复的细菌感染常常导致严重的疾病，如败血症、菌血症、肺炎和心内膜炎，极端情况下甚至可能导致死亡。虽然抗生素是治疗此类感染的常规方法，但其过度使用可能导致抗生素耐药菌株的出现，包括多药耐药变种。免疫系统通过多种机制对抗细菌，包括吞噬作用、抗体介导的破坏以及补体介导的细菌膜裂解。成功激活的免疫系统，通过吞噬作用和破坏细菌完整性等方法，可以有效消除细菌并建立免疫记忆，从而治疗反复发作的细菌感染。然而，持续的细菌感染导致免疫失调和逃逸，类似于癌症。因此，必须有效地激活免疫系统来治疗反复发作的细菌感染。

抗菌免疫治疗是一种通过激活免疫系统治疗细菌感染的方法，能够生成活性氧物种（ROS）的治疗方法显示出了特别优秀的效果。氧化应激对免疫系统施加外部压力并激活它。具体而言，ROS可以触发免疫原性反应，促进淋巴细胞迁移，并增强树突状细胞（DCs）对细菌片段抗原的识别和呈递。如果动态治疗产生的ROS过少，则无法达到刺激免疫系统的目的。然而，ROS的过度积累可能影响细胞内谷胱甘肽（GSH）水平，阻碍T细胞成熟和免疫记忆的建立。因此，治疗策略必须精确平衡ROS水平，以增强树突状细胞对细菌片段抗原的识别和呈递，同时确保T细胞成熟不受阻碍。

示意图. 光响应生物异质结（bio-HJs）诱导免疫原性以防止感染复发并加速慢性创伤再生。（a）P-MX@Ce-Lox膜的制造过程。（b）使用感染伤口的小鼠进行P-MX@Ce-Lox的体内抗菌和免疫微环境调节研究。

作为一种可变价金属，CeO?纳米粒子（NPs）在生理条件下能够失去氧或获得电子，从而形成氧空位。CeO? NPs通过Ce（III）和Ce（IV）之间的电子转移本能地展示类似过氧化氢酶（CAT-like）和超氧化物歧化酶（SOD-like）活性，使其能够清除ROS并防止ROS的过度积累。尽管CeO?具有清除ROS的能力，但它缺乏生成ROS以激活免疫系统的能力，因此不适合维持ROS平衡。因此，必须适当改性CeO?以使其能够生成大量ROS，从而实现免疫激活。生物异质结（bio-HJs），通过连接两个具有不同带隙的半导体，已证明在癌症和抗感染治疗中具有有效的光动力治疗（PDT）能力，其组件之间复杂而巧妙的电子相互作用赋予了其卓越的生成ROS能力。新兴的二维纳米材料MXene与CeO? NPs结合形成MXene/CeO?（MX@Ce）生物异质结。当暴露于近红外光（NIR）时，MX@Ce bio-HJs发挥光热治疗（PTT）和PDT来引发抗菌效果，而不促进耐药菌的产生。同时，ROS水平的增加增加了树突状细胞对抗原的识别和呈递。NIR光源移除后，MX@Ce bio-HJs发挥CeO?的类过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性，清除微环境中过量的ROS，促进T细胞的成熟，形成获得性免疫记忆。然而，直接给药的纳米粒子可能对伤口有毒，因此需要使用伤口敷料作为载体。

MX@Ce生物异质结表征：(a) MX@Ce生物异质结的形成；(b) SEM图像，(c) TEM图像和(d) AFM图像展示MXene纳米片。(e) CeO?的SEM图像；(f) SEM图像，(g和h) TEM图像，以及(i) HRTEM图像展示MX@Ce。(j) MX@Ce的元素分布图；(k) CeO?、MXene和MX@Ce的XRD图谱；(l) CeO?、MXene和MX@Ce的拉曼光谱。

聚乳酸-共-羟基乙酸（PLGA）电纺纳米纤维膜已被证明有助于多种细胞类型的生长，使其成为伤口敷料和组织支架的优异候选材料。PLGA膜可以在细胞内代谢环境中自发降解，形成乳酸。在此，将MX@Ce bio-HJs与PLGA纳米纤维膜混合，并通过乳酸氧化酶（Lox）进行表面改性，生成一种多功能纳米纤维膜（见Schema 1a）。在该系统中，纳米纤维膜在NIR激光照射下产生PTT和PDT，同时Lox响应伤口微环境，发挥化学动力学治疗（CDT），协同生成ROS以消灭细菌，而不促进耐药性细菌的产生。生成的ROS增强了树突状细胞对细菌抗原的识别和呈递，增强了固有免疫。NIR光源移除后，MX@Ce bio-HJs发挥CeO?的SOD-like和CAT-like活性，清除微环境中过量的ROS，从而促进T细胞的成熟，形成获得性免疫记忆（见Schema 1b）。体内外实验结果表明，该系统的灭菌效果及其诱导免疫原性的功能。RNA-seq结果表明，纳米纤维膜能够通过JAK-STAT信号通路、MAPK信号通路和NOD-like受体信号通路调节树突状细胞的成熟和分化。总之，本研究突显了工程化免疫治疗在抗击原位细菌感染和反复发作的细菌感染方面的潜力，并为未来抗细菌疗法的发展提供了参考。

纳米纤维膜表征：(a) P-MX@Ce-Lox纳米纤维膜的形成；(b) PLGA的SEM图像，(c) P-MX@Ce的SEM图像，(d-e) P-MX@Ce-Lox的SEM图像（红框代表MX@Ce）。(f) P-MX@Ce-Lox的元素分布图；(g) PLGA和P-MX@Ce-Lox的XPS全谱；(h) O 1s、(i) Ti 2p、(j) Ce 3d的核心能级谱图。

DFT理论计算结果：MXene（a）、CeO?（b）和MX@Ce（c）的结构；MXene（g）和MX@Ce（h）的电子带隙结构；相应的状态密度（d，e）。MX@Ce在z轴方向上的平面平均差分电荷密度?ρ（f）以及MX@Ce的差分电荷密度（k）。CeO?（i）和MX@Ce（j）的功函数；(l)和(m) CeO?和MX@Ce模型上的反应路径。黑框代表·O??，粉色框代表H?O?。

体外抗菌和抗生物膜性能：(a, d) 使用多种材料处理的细菌菌落，其中部分材料包括NIR照射。(b, e) 金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的细菌存活率。(j) 使用不同材料培养的E. coli的SEM图像，(k) 使用不同材料培养的S. aureus的SEM图像。(i) 使用不同材料培养的E. coli和S. aureus的TEM图像。LIVE/DEAD染色的共聚焦图像，(g) S. aureus和E. coli。(c, f) 通过染色可视化的生物膜的典型图片。(h) 使用样品处理的生物膜的3D共聚焦图像。(l) 抗菌性能的机制。数据以均值±标准差表示（n = 3）。

抗菌和伤口愈合评估：(a) 体内实验过程。(b) 感染小鼠伤口愈合过程的图片及(g) 伤口大小的定量统计。(c) NIR图像及(e) 在NIR照射下不同时间点膜的表面温度。(d) 治疗后的感染伤口中S. aureus菌落的图片及(h, i) 相应的定量数据。(f) 不同小鼠组在喂养期间的体重变化。数据以均值±标准差表示（n = 3）。

组织病理学分析：(a) 不同治疗后皮肤组织的H&E染色结果。(b) 马松三色染色（绿色箭头表示成熟的胶原纤维），(c) 天狼星红染色及(f) 相应的定量胶原体积分数数据。IL-6的代表性免疫组化图像（绿色箭头表示阳性反应区域）（d）和TNF-α及ICAM-1的免疫荧光图像（e）。(h) 新血管的相关定量分析。(g) IL-6、(h) ICAM-1和(i) TNF-α的定量统计。(j) 伤口愈合、胶原形成、抗菌、炎症和树突状细胞成熟的雷达图。(k) 体内伤口愈合机制。数据以均值±标准差表示（n = 3）。

文章第一作者为四川大学华西口腔医学院2022级硕士研究生杨英明与梁坤能副教授，通讯作者为四川大学华西口腔医院的李继遥教授和四川大学化学工程学院邓怡研究员。本工作得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金、四川省科技厅项目、四川省重点研发计划、成都科技支撑计划、四川大学研究项目和华西口腔医院项目的资金支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202410522

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（责任编辑：xu）

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