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背景介绍
植入物相关感染（IRI）仍是骨科植入物和其他留置医疗器械的主要并发症，其难以治疗的根本原因在于细菌生物膜将物理屏障与局部功能障碍耦合在一起。生物膜一旦在植入物表面建立，胞外聚合物（EPS）基质便限制抗菌药物渗透并保护细菌免受有效吞噬清除，而酸性、缺氧和营养耗竭的生物膜微环境进一步支持细菌持续存在和抗炎免疫状态的功能障碍。因此，传统抗生素治疗和手术清创虽在临床实践中不可或缺，但可能无法完全清除受保护的细菌储库，并进一步受到抗菌药物耐药和反复感染的挑战。这些特征表明，有效治疗IRI需要的不仅仅是直接杀菌：必须在时空控制的方式下同时 dismantle 生物膜屏障并恢复宿主抗菌免疫。研究者此前涉及自然杀伤细胞模拟物和中性粒细胞极化的研究表明，靶向先天免疫调节可增强细菌清除。活性氧（ROS）介导的催化为直接生物膜破坏和宿主免疫激活之间提供了潜在桥梁，通过破坏EPS基质和细菌完整性，从而暴露免疫原性细菌组分。类Fenton化学动力学治疗尤其有吸引力，因为它能够在酸性感染微环境中无需外部能量输入即可产生ROS。然而，电子转移效率低和催化失活可限制传统金属基催化剂在复杂生物膜中持续产生ROS。电子耦合的Mn-Fe结构可能通过促进多价氧化还原循环和界面电子转移来解决这一局限。Fe介导的氧化应激可进一步促进杀菌炎症反应。然而，将这些局部效应转化为持续的抗菌免疫需要协调的病原体感知和抗原呈递细胞激活，以连接先天防御与下游适应性应答。Mn²⁺可能通过增强cGAS-STING信号和促进抗原呈递细胞激活来促进这一转变。鉴于cGAS-STING和NF-κB在抗菌防御中的作用，Mn-Fe框架为将催化杀菌与宿主免疫感知耦合提供了有前景的基础。ROS生成纳米酶、催化剂介导的巨噬细胞重编程和巨噬细胞衍生仿生平台的进展为这一整合提供了基础。然而，近期STING导向的抗菌系统通常依赖掺入的免疫激动剂或外部刺激。因此，一个关键挑战是在单一感染响应材料中建立内在级联，其中催化生物膜损伤暴露细菌免疫刺激，同时伴随的金属释放增强宿主感知。
研究思路
针对上述挑战，中国科学技术大学附属第一医院罗瑶、葛敏教授团队开发了MFHM——一种仿生纳米平台，由pH响应型MnFe层状双氢氧化物（MFH）核心包覆M1巨噬细胞膜（M1M）构成。膜促进感染部位定位，Mn-O-Fe晶格促进氧化还原循环。在酸性生物膜中，MFHM降解伴随Mn/Fe释放和类Fenton ROS生成，导致EPS破坏、细菌膜损伤和细菌DNA暴露增加。这些细菌刺激，连同Mn相关的cGAS-STING增敏和Fe/ROS相关的NF-κB激活，促进巨噬细胞复极化、吞噬功能恢复和树突状细胞成熟，支持从先天防御向适应性抗菌免疫的转变。团队通过改进水热法合成MFH纳米粒，TEM显示其呈球形、形态均匀、分散性良好，AFM显示厚度约20 nm，XPS揭示Fe²⁺/Fe³⁺和Mn²⁺的化学价态，XANES和EXAFS研究证实Fe/Mn-O配位环境，EPR证实MFH在模拟酸性感染微环境中高效生成ROS且信号强度随反应时间动态变化，原位同步辐射FTIR揭示MFH对H₂O₂驱动的自由基生成的响应机制。随后通过仿生膜挤出策略将M1M以1:1质量比包覆MFH获得MFHM，TEM显示约7-8 nm膜层，HAADF-STEM元素mapping证实核壳组成，流体力学尺寸从MFH的63.27 nm增至MFHM的97.43 nm，在PBS、FBS和DMEM中胶体稳定性良好，体内荧光成像显示MFHM@Cy5.5在感染部位荧光强于MFH@Cy5.5，SDS-PAGE和Western blot证实MFHM保留M1M主要蛋白组分及ITGB1、ITGB3、TLR4等黏附和病原识别相关膜蛋白，酸性条件（pH 5.0和6.0）下Fe和Mn离子释放显著高于pH 7.4，证实酸响应性离子释放。相关内容以 Bimetallic biomimetic catalytic STING sensitizer for coordinating innate and adaptive immune responses against biofilm infections 发表在 Biomaterials ！
图片解析
Scheme 1. MFHM的抗菌和免疫调节机制示意图：(A) MFH核心制备及M1M包覆形成MFHM；(B) 在酸性感染微环境中，MFHM发生离子释放并促进Mn-Fe氧化还原循环，导致ROS介导的生物膜破坏和细菌损伤；Mn²⁺和氧化还原活性Fe物种进一步调节抗原呈递细胞中的cGAS-STING和NF-κB信号，促进早期促炎巨噬细胞激活、I型干扰素产生、树突状细胞成熟和下游适应性免疫参与。
图1. MFH制备与表征：(A) MFH纳米粒TEM图像（比例尺：100 nm）；(B) MFH元素mapping图像；(C) MFH原子力显微镜图像和厚度分析曲线；(D) MFH XPS survey谱；(E) Fe 2p区域详细XPS分析；(F) Mn 2p区域详细XPS分析；(G) MFH、Fe箔、FeO和Fe₂O₃的归一化Fe k-edge XANES；(H) MFH、Fe箔、FeO和Fe₂O₃在R空间的Fe k-edge EXAFS谱；(I) MFH EXAFS信号的小波变换图像；(J) MFH、Mn箔、MnO和Mn₂O₃的归一化Mn k-edge XANES；(K) MFH、Mn箔、MnO和Mn₂O₃在R空间的Mn k-edge EXAFS谱；(L) MFH EXAFS信号的小波变换图像；(M) 各种处理条件下DMPO捕获·OH的EPR谱；(N) 不同时间（2、5、10、20 min）DMPO捕获·OH的EPR谱；(O) MFH催化反应过程随时间的原位SR-FTIR谱。
图2. MFHM的制备与表征：(A) M1巨噬细胞膜包覆MFH纳米粒示意图；(B) 纯化M1巨噬细胞膜的TEM图像（比例尺：200 nm）；(C) MFHM的HAADF-STEM图像和元素mapping（Fe、O、Mn、S和P）（比例尺：100 nm）；(D) MFH、M1M和MFHM的流体力学尺寸分布；(E) MFHM在PBS、FBS和DMEM中的时间依赖性尺寸稳定性（ns，不显著）；(F) MFH@Cy5.5和MFHM@Cy5.5在3 h的体内荧光图像及相应荧光强度定量；(G) MFH、Mψ（巨噬细胞）、M1ψ（M1巨噬细胞）、M1M（M1巨噬细胞膜）和MFHM的考马斯蓝染色；(H) MFH、M1巨噬细胞、M1M和MFHM中代表性M1膜蛋白（整合素β1、整合素β3和TLR4）的Western blot分析；(I) MFHM在pH 7.4、6.0和5.0下的pH响应性Fe和Mn离子释放曲线；(J) MFH合成、M1膜包覆和酸性触发离子释放示意图。
图3. MFH和MFHM的体外抗菌和抗生物膜效果：(A, B) 指定处理后浮游大肠杆菌活/死荧光图像及PI阳性（死，红色）和SYTO 9阳性（活，绿色）定量分析（比例尺：20 μm）；(C, D) 大肠杆菌和MRSA生物膜的结晶紫染色及相应定量；(E) 大肠杆菌和MRSA生物膜中基质相关eDNA定量；(F) 通过OD562测量定量大肠杆菌和MRSA生物膜的蛋白泄漏；(G) 大肠杆菌和MRSA生物膜的SEM图像（比例尺：2 μm）；(H) 指定处理后细菌形态的TEM图像（比例尺：250 nm）；(I) 大肠杆菌和MRSA生物膜的3D-CLSM图像（红色，死细菌；绿色，活细菌）（比例尺：20 μm）；(J, L) 从大肠杆菌和MRSA生物膜回收的活菌铺板图像和定量分析；(K) 指定处理后MRSA生物膜中的ROS荧光（比例尺：20 μm）。
图4. MFH和MFHM处理细菌的蛋白质组学和金属稳态分析：(A) Fe/Mn离子在细菌中积累及所提出抗菌机制示意图；(B) 指定处理后胞内铁水平定量；(C) 差异表达蛋白的亚细胞定位分布；(D) MFHM处理细菌的Fe和Mn元素mapping（比例尺：500 nm（上）和1 μm（下））；(E) MFHM与Control比较中差异表达蛋白的GO富集分析，包括生物过程、细胞组分和分子功能类别；(F) 代表性显著改变功能类别的GSEA谱；(G) 代表性差异表达蛋白的相对丰度；(H) 与细菌细胞和代谢功能相关通路的额外GSEA富集分析；(I) Control和MFHM组中Mn稳态相关基因的相对mRNA表达。
图5. MFHM通过cGAS-STING和NF-κB信号促进先天免疫激活：(A) 指定组中CD86（红色）、CD206（绿色）和细胞核（DAPI，蓝色）的代表性免疫荧光图像（比例尺：20 μm）；(B) A中所示组CD86荧光强度定量；(C) 用于评估巨噬细胞吞噬作用的荧光图像（罗丹明、CFDA-SE和合并通道）（比例尺：10 μm）；(D) 指定处理组合下RAW264.7细胞中cGAS-STING通路蛋白的Western blot分析；(E) 相应处理组合下NF-κB通路蛋白的Western blot分析；(F) 指定处理后RAW264.7细胞中Ifn-I和Ccl2的相对表达；(G) 流式细胞术图显示Blank、dsDNA、MFH+dsDNA和MFHM+dsDNA组中F4/80⁺CD86⁺巨噬细胞；(H) G的相应定量；(I, J) 指定处理后RAW264.7细胞中胞内ROS的流式细胞术分析和定量。
图6. MFHM介导的免疫调节的转录组学和机制分析：(A) MFHM处理巨噬细胞相对Control的差异表达基因火山图，显著上调、下调和无显著差异基因分别用红色、蓝色和灰色表示；(B) 指定组中铁和镁离子结合相关基因的热图；(C) Acp5、Adprh、Eno2和Fth1的相对mRNA表达；(D) MFHM与Control比较中上调基因的GO富集分析，显示前30个富集GO术语，x轴代表-log10(P)；(E) 上调基因的KEGG通路富集分析，气泡大小表示基因数，气泡颜色表示富集显著性；(F) 细胞因子-细胞因子受体相互作用和IL-17信号的GSEA图；(G) MFHM诱导的协调NF-κB和STING信号所提出模型；(H) 指定组中Cd206、Cxcl10、Tnf-α和Sting的qRT-PCR分析。
图7. MFHM在IRI模型中的体内抗菌功效、组织修复和免疫调节：(A) 实验流程：皮下植入手术（Day -3）、注射治疗（Day 0）、随访观察和Day 12终末采样；(B) Control、MFH和MFHM组在Day 1、3、7和12的伤口形态；(C) 病灶周围组织的SEM图像（比例尺：5 μm）；(D) 皮下组织细菌负荷定量；(E) 从植入物回收的细菌负荷定量；(F) 体重随时间变化；(G) 感染部位面积随时间变化；(H) 组织切片的H&E染色（比例尺：50 μm）；(I) 表皮厚度定量；(J, K) Masson染色及相应定量（比例尺：50 μm）；(L, M) Giemsa染色及相应定量（比例尺：50 μm）；(N, O) IL-6免疫荧光染色及相应定量（比例尺：50 μm）；(P) CD86和CD206免疫荧光染色（比例尺：50 μm）；(Q) 相对CD86/CD206表达定量；(R, S) STING免疫组化染色及相应定量（比例尺：20 μm）。
图8. MFHM治疗后IRI模型脾脏免疫细胞亚群的流式细胞术分析：(A) CD11b⁺F4/80⁺细胞中CD86⁺CD206⁺细胞；(B) Day 3 CD11b⁺F4/80⁺细胞中CD86⁺CD206⁺和CD86⁺CD206⁻细胞定量；(C) CD11c⁺MHC-II⁺细胞中CD80⁺CD86⁺细胞；(D) Day 3 CD11c⁺MHC-II⁺细胞中CD80⁺CD86⁺细胞定量；(E) CD45⁺细胞中CD19⁺CD138⁺细胞；(F) Day 3 CD45⁺细胞中CD19⁺CD138⁺细胞定量；(G) CD45⁺CD3⁺细胞中CD4⁺CD8⁻细胞；(H) Day 3 CD45⁺CD3⁺细胞中CD4⁺CD8⁻细胞定量。
结论
该研究开发的MFHM纳米平台通过将感染部位靶向、pH响应型Mn-Fe催化、生物膜破坏和免疫调节整合到单一仿生系统中，解决了植入物相关感染治疗的多个关键障碍。在酸性生物膜微环境中，电子耦合的MFH核心促进Fe/Mn氧化还原循环并维持类Fenton ROS生成，从而破坏EPS、损伤细菌膜并扰乱细菌金属稳态。同时，释放的Mn²⁺和氧化还原活性Fe物种作为免疫调节线索，增强cGAS-STING和NF-κB信号，促进促炎巨噬细胞极化和吞噬功能，并促进树突状细胞成熟和下游适应性免疫参与。在耐甲氧西林金黄色葡萄球菌植入物相关感染模型中，MFHM显著降低细菌负荷（较Control降低近4个数量级），促进组织修复，并引发协调的免疫应答。体外实验显示MFHM对MRSA生物膜清除率达98.6%、对大肠杆菌达99.3%，均高于MFH的96.4%和97.7%；MFHM+dsDNA处理显著增加巨噬细胞M1样表型（CD86⁺CD206⁻达66.05%，Blank组仅9.90%），增加STING、TBK1、IRF3磷酸化以及IκB和p65磷酸化，CD86表达增加而CD206表达降低；qRT-PCR显示Ifn-I和Ccl2表达增加，ELISA显示RAW264.7和DC2.4细胞中I型干扰素和IL-1β水平升高。转录组学分析鉴定MFHM处理后1,916个显著上调基因和2,129个显著下调基因，GO和KEGG富集显示先天免疫应答、TNF、NF-κB、JAK-STAT、MAPK、NOD样受体和Toll样受体信号通路以及吞噬体、溶酶体、氧化磷酸化等通路富集，GSEA显示细胞因子-细胞因子受体相互作用和IL-17信号富集。体内Day 3流式显示MFH和MFHM组脾脏CD86⁺CD206⁻巨噬细胞显著增加，CD80⁺CD86⁺DCs显著增加，CD19⁻CD138⁺浆细胞显著增加（MFHM组增幅更大），CD4⁺CD8⁻T细胞增加，MFHM组脾脏IgG⁺IgD⁻B细胞比例更高，表明先天到适应性免疫连续体的参与。Day 12组织学显示MFHM组中性粒细胞浸润显著减少、表皮厚度增加、胶原沉积更多且组织排列更致密，Giemsa染色显示局部细菌定植显著减少，CD31和I型胶原表达高于Control组，IL-6免疫荧光降低，中性粒细胞胞外诱捕网相关瓜氨酸化组蛋白H3和髓过氧化物酶信号显著减少，巨噬细胞标志物染色显示MFHM组以修复相关CD206表型为主而Control组保留较强CD86表达，STING免疫组化信号强度高于Control组。生物安全性评估显示血清ALT和AST无显著升高，主要器官组织学检查无明显损伤或病理异常，血液相容性优异（红细胞溶血极少），体外细胞相容性试验在测试浓度范围内L929成纤维细胞、RAW264.7巨噬细胞和HUVECs保持高细胞活力，MFHM给药后主要器官中Fe和Mn的时间依赖性定量显示早期短暂积累随后逐渐下降，表明金属组分逐渐从体内清除。总之，该研究建立了一种基于仿生双金属纳米结构的催化-免疫框架，并凸显了其在难治性生物膜相关感染中的潜在治疗应用。作者也指出，当前疗效研究主要在MRSA植入感染模型中进行，需要在革兰阴性、多微生物和临床异质性生物膜中进一步验证；Mn-STING和Fe-NF-κB各自贡献的因果解析将受益于遗传或通路特异性功能缺失方法，细菌再挑战实验将需要确定免疫记忆的持久性和特异性；未来纳米抗菌剂的优化可进一步聚焦于改善病原体适应性、整合精确抗菌和免疫调节功能以及增强生物安全性和临床转化可行性。