文献精读：配备电子提取纳米钩的磁驱动微型机器人用于增强光热疗法根除真菌

 关 

 于 

 我 

 们 

    

    创伤精准修复公众号是创伤精准修复课题组（W&H Group）的官方公众号。本课题组以创伤精准修复与临床转化为主要研究方向。

      公众号推出的每一篇文章均是由W&H Group成员精选精读，旨在分享传播与创伤修复相关的最新科研成果。

真菌感染可诱发局部炎症、组织坏死和免疫反应中断。这些因素共同促使伤口愈合过程复杂化。在糖尿病创面中，长时间的高糖环境有利于孢子的自聚集和萌发。在繁殖过程中，真菌很容易破坏宿主的免疫防御，导致严重的组织损伤。此外，由此产生的真菌爆发还可能通过血液传播，导致严重的全身性感染(例如真菌败血症)。因此，解决真菌感染的高危特征对于提高杀真菌效果、减轻患者负担和改善医疗结果至关重要。

在本研究中，中山大学环境科学与工程学院的夏德华教授（通讯作者）团队联合天津大学医学部姬晓元教授（通讯作者）以鱼钩为灵感，提出了一种由含氮的碳纳米钩和包膜的钴纳米颗粒组成的磁性驱动微型机器人（Co@NCNH/NC）来增强低能量光热治疗，其中，NC是含氮的碳纳米立方体有机骨架，Co@NC是含氮和钴的碳纳米立方体有机骨架。这种微型机器人具有对磁场中的病原体的可控导航能力，即使在高粘度环境中也能实现精确的真菌捕获和热促进渗透。凭借冲击力和高导电性，微型机器人的纳米钩（Nanohooks）诱导细胞包膜的破坏，并促进从膜中提取电子，共同破坏真菌的完整性。此外，具有良好生物相容性的Co@NCNH/NC在治疗过程中表现出过氧化氢酶样活性，有助于减轻伤口炎症。这种双重作用的方法加速了关键的伤口愈合过程，包括血管生成和表皮化，最终改善了慢性糖尿病伤口的愈合结果。通过将靶向真菌根除与炎症减少和组织再生相结合，这种适应性强的微型机器人技术在提高糖尿病伤口愈合的治疗效果和预防复发方面显示出相当大的前景。

（A）Co@NCNH/NC扫描电镜（SEM）图。Co@NCNH/NC微观结构显示十二面体形状的纳米笼上生长了许多长度为100-200 nm的碳纳米钩。（B、C）Co@NCNH/NC的透射电镜（TEM）图。揭示了Co@NCNH/NC具有中空结构且Co纳米颗粒（即黑点）被封装在低空心纳米钩子中。（D）NC、Co@NC和Co@NCNH/NC的XRD图谱。（E）NC、Co@NC和Co@NCNH/NC的拉曼光谱图。在拉曼光谱中，D带和G带对应的两个特征峰分别位于1330和1580 cm⁻¹处，Co@NCNH/NC的比值相对较低，I_D/I_G比值越低表明石墨化程度越高，电导率越好。（F）NC、Co@NC和Co@NCNH/NC的N 1s 高分辨率XPS光谱。在N 1s的高分辨率XPS光谱中，在398.4、399.3、401.1和404.3 eV处拟合的4个峰分别属于吡啶N、吡咯N、石墨N和氧化N。（G）N原子的含量示意图。与NC和Co@NC相比，Co@NCNH/NC中石墨N的含量最高(占总N的46.59%），说明其石墨化程度较高，电导率也有所提高。（H）Co@NC和Co@NCNH/NC的高分辨率Co 2p XPS光谱。（I、J）NC、Co@NC和Co@NCNH/NC的光吸收和光热性能研究示意图。紫外可见吸收光谱显示，NC、Co@NC和Co@NCNH/NC在全光谱中具有较强的光吸收，而固体红外热像图揭示了Co纳米颗粒的表面等离子体共振（SPR）效应增强Co@NC和Co@NCNH/NC的光吸收，导致了显著的光热转换。（K）NC、Co@NC和Co@NCNH/NC水溶液中的温度随时间变化图。在水溶液中，NC、Co@NC和Co@NCNH/NC的平衡温度维持在47 ℃左右，表明Co@NCNH/NC有利于保护正常组织免受热损伤，使得热治疗法具有可实现性。

（A）有/无激活磁场时，Co@NCNH/NC的代表性运动轨迹示意图。（B）Co@NCNH/NC磁滞回线及其部分放大视图。图示表明具有铁磁性的Co@NCNH/NC可以精确导航到特定的感染区，这是由于有或去激活磁场可以导致微型机器人由于其磁偶极子-偶极子相互作用和特定的纳米结构而高度可控的可重新配置自组装。（C、D）Co@NCNH/NC分别在水溶液和孢子悬浮液的运动轨迹。在水溶液中，其最大推进速度达约53.8 μm/s。通过改变磁源方向，Co@NCNH/NC表现出可控制的运动，并被操纵绘制出字母“S”的轨迹，表明其精确操作。因此，由于物理-力学相互作用Co@NCNH/NC也可以精确导航到真菌孢子。（E）Co@NCNH/NC在有/无热效应的50%甘油溶液中的移动轨迹示意图。在50%甘油溶液中，Co@NCNH/NC的推进速度降至约6.0 μm/s（E-1)。而热效应使其推进速度提高到≈37.1 μ/ms（E-2）。此结果表明Co@NCNT/NC的局部光热效应可以增强其在粘性环境中的运动和渗透。

图3：微型机器人捕捉和消灭真菌的能力分析

（A、B）不同条件下NC、Co@NC和Co@NCNH/NC对A.niger的失活效果。图中显示，辐照10 min后，NC和Co@NC分别杀死0.74和1.36 log₁₀ CFU/mL的聚集孢子，而Co@NCNH/NC杀死3.80 log₁₀ CFU/mL孢子，这主要得益于其纳米钩状的微观结构。光动力过程在40 min内使孢子的0.50 log₁₀ CFU/mL失活，可能是因为真菌对有限的ROS攻击具有抗性。Co@NCNH/NC的优越杀菌能力归因于其特定的捕获和破坏作用。此外，当聚集的孢子暴露于局部高温照射预处理的Co@NCNH/NC时，真菌杀灭时间缩短了5 min，较高的杀真菌效率表明，纳米挂钩上的局部高温伴随着物理损伤和电子提取，这在破坏细胞保护屏障和诱导细胞凋亡中起着至关重要的作用。（C）Co@NCNH/NC体系在辐照下产生的TEMP-¹O₂、DMPO-O₂^-和DMPO-OH的ESR光谱。图中无法观察到DMPO-OH的特征峰。NC、Co@NC、和Co@NCNH/NC样品中TEMP-¹O₂和DMPO-O₂^-的特征峰强度相等，说明它们的光激发ROS水平没有显著差异。（D、E）处理前后黑曲霉孢子的再生潜能和共聚焦拉曼显微光谱图。图中描述了处理过的孢子在营养培养基中的再生情况。在营养条件下，未被根除的孢子将继续聚集、发芽，并进一步生长成菌丝。与未经处理的孢子相比，在黑暗中的Co@NCNH/NC，由于细胞被严重破坏，其增殖和萌发能力显著降低。NC和Co@NC处理后的真菌在辐照下的再生能力受到了极大的抑制，而Co@NCNH/NC处理后则没有再生潜力，这可以看作是不可逆损伤和根除的标志。（F）用DCFH-DA培养的孢子的荧光强度，用于检测细胞内ROS水平。（G、H）不同处理条件下（NC为阴性对照，PC为阳性对照）JC-1染色孢子对应的荧光图像和荧光强度。（I）DAPI染色孢子的荧光图像。DAPI（蓝色荧光）对孢子和菌丝中完整的细胞核进行了染色，光热处理后细胞核分散变暗，表明细胞核在局部高温和细胞内ROS积累的攻击下受到损伤。（J）肌动蛋白追踪器green-488（Actin-Tracker Green-488）染色的萌发菌丝荧光区和亮区叠加图。如图5j-1所示，肌动蛋白细胞骨架均匀且连续地分布在未经处理的正常丝相上。然而，图5j-2显示，Co@NCNH/NC在黑暗中的攻击降低了荧光强度，并对肌动蛋白细胞骨架造成了损伤。图5j-4中，因为蛋白质聚合物对插入的纳米钩子上的局部热量敏感，Co@NCNH/NC光热疗法大大加剧了肌动蛋白的破坏。因此，研究者认为，真菌萌发和极性生长的抑制作用归因于代谢功能障碍和肌动蛋白细胞骨架破坏的综合相互作用。

（A）不同治疗时间和处理方式的方案示意图。（B-E）Co@NCNH/NC使伤口愈合时间延长4.2 d，表明其具有抗真菌活性。此外，在磁场作用（M）和光照条件下（L）伤口愈合时间（Co@NCNH/NC+L+M组）为12.0 d，比单纯磁场作用Co@NCNH/NC+M组(14.8 d)和单纯光照Co@NCNH/NC+L组（15.4 d）快，说明靶向-捕获-破坏特性和局部光热效应都起重要作用。（E）创面闭合定量分析图。结果显示，Co@NCNH/NC+L+M组创面闭合率为93.04%，而Co@NCNH/NC+M组创面闭合率为74.85%，Co@NCNH/NC+L组创面闭合率为73.34%。此外，与对照组（51.44%）相比，Co@NCNH/NC组创面闭合增加。说明了Co@NCNH/NC促进伤口愈合。（F、G）各组创面在12 d的H&E和Masson染色图像。从H&E染色可以看出，Co@NCNH/NC+L+M组表皮和真皮形成明显加快，具有相当大的促进糖尿病伤口愈合能力。此外，从Masson染色可以看出，Co@NCNH/NC+L+M组表现出更自然和成熟的表皮再生，胶原沉积增加。以上结果共同表明，在光、磁场联合作用下，Co@NCNH/NC对伤口愈合的促进作用最强。

（A、E）免疫荧光染色各组第6天缺氧诱导因子（HIF-1α）的表达及其定量分析图，结果显示，对照组HIF-1α的相对表达量达到98.0%。然而，在磁场或光照射条件下，Co@NCNH/NC+L+M组HIF-1α的表达量最低（23.2%），表明O₂供应增强，低氧状态得到了极大改善。（B、F）免疫荧光染色各组第6天ROS水平的表达及其定量分析图。图中显示，对照组由于缺氧水平相对较低而发出红色荧光，Co@NCNH/NC作用下的组织中没有明显的绿色荧光信号，表明具有可控靶向能力的Co@NCNH/NC治疗可以保护伤口免受过多ROS引起的炎症，减轻氧化应激作用。（C、G）免疫荧光染色各组第6天表皮生长因子EGF的表达及其定量分析图。与对照组和个体Co@NCNH/NC相比，Co@NCNH/NC+L和Co@NCNH/NC+M组的EGF表达量升高，Co@NCNH/NC+L+M处理的表达量最高达到884.2%，这主要是由于O₂的供应和氧化应激降低导致的。（D、H）免疫荧光染色各组第6天血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor, VEGF）的表达及其定量分析图。从图中可以看出，除了磁场的驱动作用外，光照射也促进了血管形成，并且Co@NCNH/NC+L+M组VEGF的表达最高，说明Co@NCNH/NC+L+M能够加快血管生成，促进创面修复。（I、K）不同处理方式后各组第6天CD31/α-SMA表达及其定量分析图。该图是通过含有α-Smooth肌动蛋白（α-SMA)和CD31的免疫荧光对新生血管结果的评价，结果表明，Co@NCNH/NC+L+M组能显著增强CD31的表达，说明其具有优越的促血管化能力。（J、L、M)不同处理方式后各组第6天成纤维细胞标记物Vimentin和胶原的免疫荧光染色表达及其定量分析。利用免疫荧光法对胶原和成纤维细胞标记物Vimentin进行共染色，检测肉芽组织中的胶原沉积，结果显示，对照组和Co@NCNH/NC组的成纤维细胞和胶原蛋白含量较低，但Co@NCNH/NC+L+M处理组成纤维细胞和胶原蛋白的相对表达量最高，说明胶原和纤维组织沉积较多，有利于创面愈合。这些结果共同表Co@NCNH/NC+L+M治疗可以快速根除真菌感染，保证O₂供应，减少创面炎症，加速血管生成和胶原沉积，从而加快创面修复。

1

欢迎加入交流群

   欢迎加入学生QQ群：群号码565261531（或长按下方二维码）。

QQ交流群

2

同行微信群

        申请入群请先添加审核微信ZMH-Manphie（或长按下方二维码），并请注明：创伤修复+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业）。

审核微信

欢迎互设白名单

欢迎关注本微信号