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细菌侵入引起的感染性骨缺损(IBD)是骨科、颌面外科和口腔种植学中常见的并发症，以其难治性感染和延迟骨愈合而闻名。
来自重庆医科大学附属口腔医院的陈陶团队制备了一种名为HA@Ce-TA纳米颗粒的多功能纳米材料。该材料可根据细胞内和细胞外条件调节线粒体动态平衡。在酸性条件下和近红外(NIR)照射下会产生活性氧(ROS)和体温过高，有效消除细菌并减轻线粒体压力。细胞内，HA@Ce-TA可重塑线粒体动力学并消除过多的ROS，抑制炎性体过度激活。体外和体内研究表明，HA@Ce-TA通过调节线粒体为中心的炎症级联作用来增强IBD的治疗。相关研究内容以“AdaptiveNanoparticle-MediatedModulationofMitochondrialHomeostasisandInflammationtoEnhanceInfectedBoneDefectHealing”为题于2023年11月6日发表在《ACSNano》。
Scheme1HA@Ce-TANPs对巨噬细胞线粒体稳态调节的示意图
图1HA@Ce-TANPs的合成和表征
HA@Ce-TA纳米颗粒通过混合TA、Ce(SO4)2和HANPs在HA存在下合成。采用SEM和STEM观察到HA@Ce-TA具有核壳结构。STEM-EDX显示Ce和C均匀包覆在含Ca的HANPs表面，并与TA分子连接。DLS测量表明HA@Ce-TA的流体动力学直径略大于HANPs。XRD显示HA@Ce-TA与HANPs不同，可能是由于包含非晶态Ce-TA薄膜。FT-IR和XPS确认TA和Ce离子交联，并观察到Ce(IV)和Ce(III)存在。纳米基底具有小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应，与微米或宏观基底相比，HA@Ce-TA具有更高的表面积，可能导致不同的光学和催化性质。
图2HA@Ce-TANPs的光热性能
HA@Ce-TA纳米颗粒在可见光到近红外范围内具有较宽且更强的光吸收能力。在808nm激光照射下，HA@Ce-TANPs表现出显著的光热转换，而纯化的HANPs只引起微弱的温度升高。光吸收和光热转换能力与浓度相关，浓度为5mg/mL的HA@Ce-TANPs在808nm处表现出最高的吸光度，并在10分钟内温度从26.9°C升高到57.8°C，有助于细菌杀灭。HA@Ce-TANPs具有可重复的光热性能，出色的热稳定性和光稳定性，在连续五个加热和冷却循环后未发生实质性变化。通过4mm厚的猪皮，仍然观察到约25°C的温度升高。HA@Ce-TANPs的光热转换效率为30.9%。由于近红外具有较高的穿透深度，结合HA@Ce-TANPs的光热转换，可以在治疗炎症性肠病时实现更高的效率。HA@Ce-TANPs具有可控的光热转换性能和温度升高区域，有助于减少组织损伤。这些结果支持了HA@Ce-TANPs光热疗法在临床应用上的潜力，并促进了对其光热转换机制的进一步研究。
图3HA@Ce-TANPs的超分子光热效应
图4HA@Ce-TANPs的可切换和可控的模拟酶活性
为了调节炎症性肠病（IBD）中的细胞外病原相关分子模式（PAMPs）清除和细胞内线粒体稳态，需要一种可切换和可控的类酶系统，如HA@Ce-TA纳米颗粒。HA@Ce-TA纳米颗粒通过模拟过氧化物酶（POD）的活性进行评估，其在酸性条件（）下能够将无色的3,3′,5,5′-四甲基苯胺（TMB）氧化为蓝色的TMB氧化物（oxTMB），并且在过氧化氢（H2O2）存在的情况下产生活性氧化物种（ROS）（如·OH）。此外，HA@Ce-TA纳米颗粒还表现出类酶活性，其催化活性可通过调节pH和光热效应来增强。HA@Ce-TA纳米颗粒具有出色的自由基清除能力，能够清除IBD中的自由基，从而阻断炎症级联反应。此外，HA@Ce-TA纳米颗粒的类酶活性与其浓度呈正相关。研究还发现，即使在缺乏过氧化氢的情况下，HA@Ce-TA纳米颗粒仍能通过其模拟过氧化物酶活性将TMB氧化为oxTMB，这意味着在酸性条件下（如感染微环境中），HA@Ce-TA纳米颗粒可通过产生活性氧化物种来清除病原体相关分子模式。总之，HA@Ce-TA纳米颗粒在IBD治疗中具有潜在应用前景，既可以通过光热效应增强活性，又可以通过ROS产生清除炎症反应。
图5HA@Ce-TANPs的体外抗菌性能
图6体外模拟炎症条件下HA@Ce-TA影响巨噬细胞的细胞生物学过程
通过针对小鼠骨髓间充质干细胞的实验，发现HA和HA@Ce-TANPs并没有细胞毒性。这意味着它们在一定浓度下可以安全地应用于体内。此外，研究者还发现HA@Ce-TANPs具有良好的血液相容性，这意味着它们可以在体内循环并与血液相容无冲突。这为它们在体内的应用提供了潜在的可能性。通过对巨噬细胞的研究，发现HA@Ce-TANPs可以降低炎症标志物的水平，并诱导更多的抗炎巨噬细胞。这对于治疗持续的细菌引起的炎症性肠病具有重要意义，因为这种疾病以持续的炎症和不可愈合的伤口为特征。此外，作者还发现HA@Ce-TANPs具有抑制活性氧的作用，这对调节巨噬细胞极化非常重要。通过RNA测序，发现HA@Ce-TANPs可以调节超过1900个基因，可能参与调节巨噬细胞表型和促进组织修复。这些发现为进一步研究和利用HA@Ce-TANPs作为治疗IBD的治疗方法提供了有力的科学依据。
图7炎症条件下HA@Ce-TA对线粒体动力学和功能的调节
研究发现，HA@Ce-TA能够有效调节线粒体稳态并抑制炎症过程。进一步的基因本体富集分析发现，HA+LPS组和HA@Ce-TA+LPS组之间不仅在免疫和炎症过程上存在差异，还在线粒体过程上存在差异。进一步的GSEA分析表明，HA@Ce-TA负调控了与M1极化相关的一氧化氮合酶生物合成过程，与其强大的抗炎能力相一致。此外，HA@Ce-TA还能够正调控线粒体蛋白靶向和GTP结合活性。通过激光共聚焦显微镜观察发现，与HANPs相比，FITC-HA@Ce-TANPs在线粒体定位上具有更强的荧光信号。线粒体形态的改变通过TEM进一步鉴定，发现HA@Ce-TA能够部分逆转由LPS引起的线粒体形态改变。此外，HA@Ce-TA还能够促进线粒体融合，并减少线粒体活性氧的产生。通过流式细胞术发现，HA@Ce-TA能够降低LPS刺激引起的线粒体活性氧的产生，并保持线粒体膜电位的稳定。进一步的Westernblot分析显示，HA@Ce-TA能够抑制NLRP3炎症小体信号通路的激活，并减少IL-1β的分泌。综上所述，HA@Ce-TA通过调节线粒体稳态和抑制炎症反应的级联过程，具有抑制炎症性疾病的潜力。
图8HA@Ce-TANPs对金黄色葡萄球菌感染的胫骨缺损的体内抗菌和促愈合作用
通过在SD大鼠的IBD模型中测试，评估了HA@Ce-TA纳米颗粒的治疗潜力。结果显示，HA@Ce-TA纳米颗粒在NIR照射下表现出优异的光热性能，并能有效抑制细菌感染。通过调节巨噬细胞的极化状态，HA@Ce-TA纳米颗粒可以减少炎症反应，并促进骨组织修复。实验结果显示，与正常组相比，HA@Ce-TA+NIR组的骨缺损修复效果接近正常组，且具有良好的生物安全性。
在治疗过程中，HA@Ce-TA纳米颗粒通过内部炎症级联阻断，防止感染扩散并控制炎症的进展。实验结果显示，HA@Ce-TA纳米颗粒能够显著抑制细菌的增殖，减少炎症反应，并促进骨组织的修复。此外，HA@Ce-TA纳米颗粒还能够释放出氧化活性的Ce4+离子，通过氧化反应杀灭细菌。这种抗菌和抗炎作用的协同效应，使得HA@Ce-TA纳米颗粒成为一种潜力治疗IBD的新型纳米药物。
此外，NIR照射可以进一步增强HA@Ce-TA纳米颗粒的光热性能，提高其抗菌效果。在NIR照射下，HA@Ce-TA纳米颗粒能够迅速产生热效应，使局部温度升高到可以杀灭细菌的程度。实验结果显示，在NIR照射下，HA@Ce-TA纳米颗粒能够有效地消除细菌感染，减轻炎症反应，并促进骨组织的修复。
总结与展望
本文提出了一种名为HA@Ce-TA的纳米平台，它根据细胞内和细胞外条件调节线粒体动态平衡。HA@Ce-TA通过产生活性氧(ROS)和体温过高，有效消灭细菌并减少线粒体压力。HA@Ce-TA重塑线粒体动力学并抑制炎性体过度激活，从而调制以线粒体为中心的炎症级联。体外和体内研究表明，HA@Ce-TA通过调节线粒体动态平衡和抑制过度炎症，增强对感染性骨缺陷(IBD)的治疗。多功能HA@Ce-TA纳米颗粒集成了线粒体靶向能力、线粒体动力学调节、多酶模拟活性和骨感应性，从而提高了IBD的治疗功效。该研究通过维持线粒体动态平衡和阻断以线粒体为中心的炎症级联，为IBD的治疗提供了全面的策略。
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