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受感染的慢性伤口区具有独特的微环境，具有缺氧、过量活性氧（ROS）和炎症条件。细菌形成的生物膜通过阻碍药物穿透深层感染的伤口组织和增加耐药性，限制了大多数治疗药物的抗炎效率。促炎M1巨噬细胞极化的单一调节不能立即缓解炎症。作者开发了“一体”叶酸修饰的有机小分子纳米颗粒（2TT-mC6B@CeO2@FA，PCFs），它具有对细菌和M1巨噬细胞的双靶向性、对M1巨噬细胞的双重调节、光热疗法（PTT）和酶样活性。基于相当大的过氧化氢酶和超氧化物歧化酶样活性，PCFs可以有效地清除ROS并产生氧（O2）。生成的O2可以作为纳米马达驱动PCFs运动，进一步促进深度渗透和改善缺氧。清除ROS促进M1巨噬细胞极化为抗炎的M2巨噬细胞。该研究还发现，FA修饰的PCFs可以靶向细菌和M1巨噬细胞，通过PTT选择性地消除M1巨噬细胞和细菌，从而缓解炎症和促进慢性伤口愈合。转录组分析证实，PCFs抑制炎症相关基因的表达，同时增加抗炎细胞因子的表达。体内实验证实，PCFs有利于新生组织的新生血管形成和伤口部位的组织生成。该研究以题为“Inflammatory Microenvironment-Responsive Nanomotors with NIR Photothermal Effect for Deep Inflammation Elimination and Infection Inhibition” 发表在Advanced Functional Materials上。
到目前为止，抗生素是浅表和深层细菌感染的主要治疗方法，而抗生素的滥用引发了耐药性的增加，抗生素的发展远远落后于细菌耐药性的演变。由于抗生素的耐药性，受感染的细菌将维持生存，加重炎症，延迟伤口愈合，从而导致慢性疾病甚至死亡。细菌感染的伤口的特征是招募大量的巨噬细胞和中性粒细胞，这些细胞积累以抵御细菌，但导致活性氧（ROS）的过量产生。慢性创面的特点之一是炎症期的长时间滞留和高水平的ROS，这将显著增加局部氧化应激。一般来说，提高局部ROS水平会对周围的正常细胞和组织造成副作用，以及免疫调节紊乱。长期暴露于高ROS水平可加重缺氧，诱导巨噬细胞极化为促炎M1型，M1型可分泌炎症细胞因子加重炎症，同时延缓伤口愈合。然而，M1巨噬细胞向M2型的单一重编程在立即减轻炎症方面是低效的。因此，开发具有抗菌、清除ROS和高效的巨噬细胞极化调节功能的非抗生素纳米平台是有必要的。
在此，作者开发了一个双靶向功能叠加纳米平台，名为2TT-mC6B@CeO2@FA纳米颗粒（PCFs）。基于PTAs（2TT-mC6B）的引入，PCFs具有优良的光热杀菌性能。CeO2 NPs的酶催化性质有助于O2的生成，O2被认为是一种药剂，而不是一种营养物质，可以促进修复过程，如细菌防御、血管生成、细胞增殖和胶原蛋白合成。此外，生成的O2使PCFs作为具有深度穿透能力的纳米马达，克服生物膜堵塞，在炎症伤口区域提供高效的PTT。此外，CeO2 NPs作为有效的ROS清除剂，可以缓解高度氧化炎症的伤口微环境，促进局部巨噬细胞从促炎M1型向抗炎M2型的极化。FA修饰使PCFs具有实现巨噬细胞和细菌靶向性的能力，从而可以选择性地消除M1巨噬细胞和细菌，以抑制炎症反应。M1巨噬细胞的双重调节会给抗炎过程产生正反馈。体外和体内实验表明，PCFs比单一CeO2 NPs具有更好的分散性和ROS清除效率，与之前的系统相比，升级了靶向能力，M1巨噬细胞重编程的高效双调节，并且在MRSA感染和脓肿伤口小鼠模型中具有强大的治疗效果（图1）。基于这些数据，作者旨在为PTT介导的精确抗菌作用和双重免疫调节的细菌感染慢性伤口愈合提供先进的治疗平台，促进临床应用的治疗性纳米材料的发展。
图1.双靶向PCF深度抗感染、抗炎、免疫调节的原理示意图和机制。
图2. A)CeO2 NPs的合成示意图。B)CeO2 NPs的XPS光谱。C)2TT-mC6B分子的单晶结构、优化的S0几何形状和ESP分布。D)PCFs的合成示意图。E)PCF的透射电镜图像。CeO2 NPs、PTA@CeO2 NPs和PCFs的F) XRD分析。G)CeO2 NPs、PTA NPs、PTA@CeO2 NPs和PCFs的UV-vis-NIR吸收光谱。H)PCFs、FA、PTA@CeO2 NPs和PTA NPs的FTIR谱。I)CeO2 NPs、PTA NPs、PTA@CeO2 NPs和PCFs的Zeta电位。J)光热加热曲线和B)不同浓度PCF在808 nm激光照射下的热图像。K) PCFs和L) ICG水溶液分散体的重复加热/冷却曲线。
图3.A)不同时间点PCFs和PCFs/H2O2在不同激光照射下的运动图像。B)ROS清除机制示意图。C)H2O2，D)·OH，E)·O2−，和F)不同处理下的自由基清除能力。G) EPR测定了PCFs对·O2−的清除能力。H) EPR测定了PCFs的·OH清除能力。I)以H2O2为底物的PCFs的稳态动力学。J)PCFs的双倒数图。
图4.A)不同处理后的E.coli和MRSA的菌落。B)在不同处理条件下的细菌活力。C)不同处理后的MRSA和E.coli的活/死染色。D)在808 nm激光照射下，细菌对Cy5@PCFs和Cy5@PCFs/H2O2的吸收能力。不同处理后的E.coli和MRSA的E)扫描电镜图像。F)不同处理后的E.coli和MRSA形成的生物膜的活/死染色。
图5.Cy5标记的PCF对A) M1巨噬细胞和B) M0巨噬细胞的靶向能力。PCFs/NIR处理后，C) M1和D) M0巨噬细胞的细胞活力。E)PCFs消除M1巨噬细胞的示意图。不同处理后巨噬细胞中F) IL-6和G)TGF-β的免疫荧光染色。H)不同处理后M1巨噬细胞中TGF-β和IL-6的蛋白表达。I)PCFs处理后M1巨噬细胞中DEGs的火山图。J)PCFs处理后M1巨噬细胞中GO的DEGs分类的树图分析。K)M1巨噬细胞中DEGs的热图。
图6.A)MRSA感染慢性伤口愈合过程的治疗途径。B)不同处理BALB/c小鼠的热图像。C)Cy5标记的PFs和PCFs在伤口组织内的扩散情况。D)MRSA感染的慢性创面在8天内达到不同治疗后的愈合效果。E)第0天和第8天不同治疗后伤口的痕迹。F) H&E和G)第8天创面区域皮肤切片的Masson染色分析。H)不同处理后创面组织CD86/TNF-β和CD206/TGF-β的免疫荧光染色。
图7.A)PCFs对MRSA感染的慢性脓肿愈合过程的治疗途径。B)不同处理BALB/c小鼠的热图像。C)Cy5标记的PFs和PCFs在脓疱内的扩散情况。D)MRSA感染慢性脓肿在8天内愈合效果。E)不同处理后8天后的脓疱的图像。F) H&E和G)第8天创面皮肤切片的Masson染色分析。H)不同处理后创面组织CD86/TNF-β和CD206/TGF-β的免疫荧光染色。
总之，作者通过一个简单的一步方法开发了PCF。在PTAs存在的情况下，PCFs表现出一种光热效应，可以消除细菌，克服细菌生物膜诱导的耐药性和缺氧，并有效地缓解炎症，加速MRSA感染的慢性伤口愈合。由于CAT-和SOD-样活性，PCFs表现出高效的清除ROS的能力，通过在炎症的慢性伤口微环境中分解H2O2来促进O2的生成。体外和体内实验表明，在NIR激光照射下，足够的O2供应使PCFs自动作为纳米马达运动，深入穿透生物膜和深层伤口组织，启动有效的PTT。通过清除ROS，可以缓解过度的氧化应激，并调节巨噬细胞从促炎状态到抗炎状态的重编程。随着FA的引入，PCFs实现了对细菌和M1巨噬细胞的双靶向性，通过选择性消除M1巨噬细胞，高度提高了PCFs的抗炎效率。M1巨噬细胞的双重调节将提供更有效的抗炎作用，从而缓解过度炎症反应，加速慢性伤口愈合。RNA测序和qPCR检测显示，PCFs处理显著降低了促炎细胞因子的表达水平，增加了抗炎细胞因子的表达水平。组织学和免疫荧光成像分析进一步证实了M2巨噬细胞的生成、新生血管和组织重塑，表明伤口愈合过程恢复到正常状态。综上所述PCFs具有双靶向、酶样、光热效应和生物相容性的协同特性，在MRSA感染和脓肿伤口小鼠模型中提供了广泛的抗菌、抗炎和免疫调节。
论文链接（DOI）：
https://doi.org/10.1002/adfm.202416684
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