连小峰/张伟/苏佳灿/徐建广合作研究：氧化铱纳米团簇治疗伤口感染 | BAM

近期，上海交通大学医学院附属第六人民医院连小峰教授；联合张伟/苏佳灿/徐建广在科爱期刊Bioactive Materials上发表研究论文：具有光调节ROS能力的氧化铱纳米团簇用于感染伤口治疗的研究。本研究开发了BSA-IrOx NCs用于感染伤口的治疗，IrO_x的光敏特性使其在808 nm NIR照射下能够高效生成单线态氧（¹O₂），从而产生强大的抗菌效果。当NIR关闭时，BSA-IrO_x NCs的多种酶样活性迅速清除过量的ROS，从而避免伤口部位的炎症反应，减少对健康组织的不可逆损伤。本研究提出了一种颇有前景的策略，通过调节ROS来治疗感染伤口，解决了当前基于ROS的抗菌方法的诸多困难。

01. 研究内容简介

活性氧(ROS) 因为可以破坏细菌细胞膜和DNA，在临床感染伤口的杀菌中起着至关重要的作用。在基于ROS的杀菌技术中，光动力治疗（PDT）因为能够更快、更有效地产生大量ROS具有最大的临床潜力。尽管PDT已被有效地用于感染，但过量的ROS可通过激活炎症和产生炎症因子，从而加剧感染部位的组织损伤。然而，纳米颗粒治疗平台虽然可以通过其固有的组织修复特性来抵消ROS损伤，但无法清除PDT产生的过量ROS，进而导致了慢性炎症。因此，制定策略清除PDT后组织中多余的ROS对于感染伤口的有效治疗至关重要。最近的研究主要集中用ROS对抗细菌上，然而采用有效的策略来调节ROS的产生与分解是有效减轻伤口感染的关键。牛血清白蛋白(BSA)是最具商业价值的蛋白质，已被广泛用作生物模板，通过温和的生物矿化方法形成蛋白质包被的金属氧化物纳米团簇。因此，本研究聚焦于探索基于氧化铱相关的的纳米材料在感染伤口治疗中ROS调节的潜力。

基于以上考虑，我们提出使用BSA-氧化铱(BSA-IrO_x)纳米团簇(NCs)通过控制感染部位的ROS水平来治疗感染伤口。BSA-IrO_x NCs通过近红外激光控制有效调节ROS微环境，实现伤口感染的治疗和预防，具有很大的临床应用潜力（图1）。

图1. BSA-IrO_x NCs的主要合成过程示意图，及其在NIR调节下对感染伤口的影响机制。在808 nm NIR照射下BSA-IrO_x NCs能够高效生成¹O₂，从而产生抗菌效果。当NIR撤离时，BSA-IrO_x NCs的多种酶样活性又可以迅速清除过量的ROS，从而抑制伤口部位的炎症反应。

1 BSA-IrO_x NCs的制备与表征

首先，我们将BSA与IrCl₃的混合体系经过碱化、磁力搅拌、超滤离心纯化后得到了BSA-IrO_x NCs。而后进行了材料表征。电子自旋共振光谱(ESR)显示，在808 nm近红外激光下，BSA-IrO_x NCs可以产生大量的¹O₂。ESR分析同样证实了BSA-IrO_x NCs清除•OH、•O^2-和H₂O₂这三种ROS的能力（图2）。

图2. BSA-IrO_x NCs的制备与表征。A. TEM图像和BSA-IrO_x NCs的元素映射。B. BSA-IrO_x NCs的XPS光谱。C Ir 4f和(D) O 1s的XPS高分辨率光谱。E. BSA-IrO_x NCs的水动力尺寸。F.用温度作为自旋阱处理反应体系后的ESR光谱，低温溶液中BSA-IrO_x NCs在808 nm NIR照射下¹O₂的ESR光谱。 G H ESR谱分析BSA-IrO_x NCs的(G)•OH和(H) •O^2-清除能力 I. 不同浓度BSA-IrO_x NCs与H₂O₂混合后的氧浓度曲线。

2 BSA-IrOx NCs的杀菌能力

本研究用耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）验证了BSA-IrO_x NCs的体外抗菌能力。BSA-IrO_x NCs在NIR照射下产生了大量ROS，这种PDT作用有很强的杀菌能力。同时，对于生物膜BSA-IrO_x NCs也同样有破坏作用。为了进一步阐明BSA-IrO_x NCs对MRSA代谢的影响，我们对BSA-IrO_x NCs + NIR处理的MRSA进行代谢组学分析和转录组测序，然后进行联合多组学分析。结果显示，BSA-IrO_x NCs主要通过抑制MRSA的精氨酸代谢通路中的NOS从而起到了抗菌效果。NOS被抑制后，细菌的ROS抵抗降低，从而增强了PDT作用（图3）。

图3 BSA-IrO_x NCs通过改变MRSA的NOS对进行灭菌。A.治疗1天后代谢组学数据热图 B.治疗1天后转录组数据火山图 C.细菌代谢组学KEGG分析结果气泡图 D.代谢组学和转录组学结合的KEGG通路分析。E.不同处理后细菌存活率 F.不同处理后细菌生物膜的结晶紫分析 G.不同处理后结晶紫染色的统计分析 H.不同处理后细菌Bap的ELISA结果 I . BSA-IrO_x NCs +NIR通过抑制NOS通路减少细菌的PDT抵抗。

3 体内感染伤口抗菌模型

通过大鼠的感染伤口造模，我们充分说明了BSA-IrO_x NCs能够在NIR照射下起到抗菌效果，从而加速感染伤口的愈合（图4）。在没有NIR的情况下，BSA-IrO_x NCs能够通过多种ROS酶活性从而抑制组织内的炎症。我们同样在大鼠的体内进行了验证，结果显示BSA-IrO_x NCs可以抑制中性粒细胞浸润，促进组织修复。

图4.BSA-IrO_x NCs +NIR的体内抗菌作用。A. BSA-IrO_x NCs + NIR体内抗菌实验流程图 B C.治疗过程中大鼠感染伤口的代表性图片 D.大鼠感染创面处理14天后代表性H&E染色、Giemsa染色和免疫荧光染色 F.免疫荧光染色中三种中性粒细胞标记物的统计学分析 G.感染创面处理后14天大鼠组织炎症因子水平ELISA热图结果。

4 临床皮肤样本组织培养

为了拓展BSA-IrO_x NCs的临床应用可能性，发掘其在感染伤口治疗中的临床潜力，我们收集了临床上废弃的人皮肤样本进行了体外皮肤培养实验。从结果可以看出BSA-IrO_x NCs这种通过NIR调节组织内部ROS水平的模式在临床样本上同样适用，这也彰显了BSA-IrO_x NCs的转化潜力（图5）。

图5.BSA-IrO_x NCs在临床人体皮肤样品中的抗菌和修复作用。A. BSA-IrO_x NCs对临床人体皮肤标本的抗菌和修复作用流程图 B.无菌创面无近红外的代表性H&E染色结果 C.感染创面近红外激光代表性SEM图像 D.无NIR染色H&E创面宽度的统计分析 E.NIR下扫描电镜图像细菌计数 F.人皮肤组织样品中TNF-α水平的qPCR结果 G.人皮肤组织样品中IL-1β水平的qPCR结果。

综上所述，本研究提供了一种新颖的NIR依赖的调节策略，并说明了其在感染伤口愈合治疗中的潜在应用。BSA-IrO_x纳米平台突出了多功能纳米材料的重要性，可以同时解决伤口愈合过程的多个方面，具有临床转化的潜力。该项研究工作以“Light-Activated Nanoclusters with Tunable ROS for Wound Infection Treatment”为题发表在《Bioactive Materials》（中科院1区，IF: 18.0）。连小峰、张伟、苏佳灿和徐建广为文章共同通讯作者，王鑫、丁嘉宁、陈晓和王思成为文章并列第一作者。