文獻(xiàn)信息
青島大學(xué)附屬醫(yī)院骨科，河北醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院骨科等單位的研究成果“An intelligent bacterial capture nanodrug enhances immunotherapy for implant-associated infections by inducing cuproptosis-like death in bacteria”（一種智能細(xì)菌捕獲納米藥物通過誘導(dǎo)細(xì)菌中的銅中毒樣死亡來增強(qiáng)植入物相關(guān)感染的免疫治療）在《JOURNAL OF CONTROLLED RELEASE》（IF=11.5）雜志上發(fā)表。平生公司的離體CT（VENUS）在論文中提供小鼠骨標(biāo)本圖像和定量分析。

該研究的通訊作者為張英澤院士。第一作者胡曉東。

文獻(xiàn)摘要
植入物相關(guān)感染（IAI），特別是涉及耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）的感染，由于細(xì)菌生物膜形成和局部免疫抑制而成為主要的臨床挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，作者開發(fā)了一種智能細(xì)菌捕獲納米藥物，稱為Se-MPDA-Cu-D納米顆粒（NP），旨在通過協(xié)同抗菌策略增強(qiáng)免疫治療。該納米平臺以表面修飾的 D - 丙氨酸實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌肽聚糖的靶向結(jié)合，從而精準(zhǔn)定位至感染部位。在酸性、富含谷胱甘肽的生物膜微環(huán)境中，納米藥物響應(yīng)性地釋放銅離子（Cu²⁺）和硒（Se）納米顆粒，引發(fā)有效的化學(xué)動力學(xué)治療，破壞氧化還原穩(wěn)態(tài)并誘導(dǎo)細(xì)菌中的銅中毒樣死亡。該過程的特征是銅積累、脂質(zhì)過氧化、DNA損傷和鐵硫簇蛋白損傷。除了其直接的抗菌功效外，該治療還促進(jìn)了強(qiáng)大的免疫原性細(xì)菌死亡（IBD）反應(yīng)，激活樹突狀細(xì)胞，增強(qiáng)T細(xì)胞浸潤，并逆轉(zhuǎn)免疫抑制微環(huán)境。在 MRSA 感染的大鼠 IAIs 模型中，Se-MPDA-Cu-D 納米顆粒有效清除了生物膜，顯著促進(jìn)新骨再生并恢復(fù)骨整合。這種多功能納米治療策略通過整合靶向細(xì)菌捕獲、類銅死亡與免疫原性細(xì)菌死亡，為對抗耐藥性植入物感染提供了極具前景的解決方案。

實(shí)驗(yàn)方法
動物研究
SD大鼠將6周齡雄性SD大鼠隨機(jī)分為7個實(shí)驗(yàn)組，每組4只：1）感染 SD 大鼠 + PBS 處理（對照組）；2）感染 SD 大鼠 + MPDA 處理；3）感染 SD 大鼠 + Se-MPDA 處理；4）感染 SD 大鼠 + MPDA-Cu 處理；5）感染 SD 大鼠 + Se-MPDA-Cu 處理；6）感染 SD 大鼠 + Se-MPDA-Cu-D 處理；7）感染 SD 大鼠 + 萬古霉素（Van）處理（臨床參考組）。簡言之，SD大鼠腹腔注射戊巴比妥鈉麻醉后，在股骨遠(yuǎn)端沿髓腔沿著鉆一個φ 2.5mm的鉆頭，50μL ATCC 43300 MRSA將處于對數(shù)生長期的細(xì)胞（含10⁶ CFU/mL）植入孔中，然后將鈦棒植入孔中，術(shù)后24 h，大鼠尾靜脈注射PBS、MPDA、Se-MPDA、MPDA-Cu、Se-MPDA-Cu、Se-MPDA-Cu-D NP和Van。隨后，密切監(jiān)測大鼠的體溫、精神狀態(tài)和體重。仔細(xì)觀察手術(shù)傷口愈合的進(jìn)展。在手術(shù)后第3、28和56天，對動物進(jìn)行人道安樂死以收集標(biāo)本。第3天進(jìn)行組織病理學(xué)檢查，第28天和第56天進(jìn)行顯微CT和組織病理學(xué)檢查，進(jìn)一步分析結(jié)果。

Micro-CT分析
術(shù)后28、56 d處死SD大鼠，取出右側(cè)股骨，浸泡于4%組織細(xì)胞固定液中，對大鼠股骨樣品進(jìn)行顯微CT（VENUS，VNC-102,平生醫(yī)療科技有限公司）掃描。在掃描和重建過程之后，距股骨髓腔金屬棒外周1mm高、1 mm周長的圓柱形區(qū)域（不包括髓內(nèi)釘）作為感興趣區(qū)域（ROI），在此特定區(qū)域內(nèi)，計算骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）、骨小梁數(shù)目（Tb.N）、骨小梁厚度（Tb.Th）、和骨小梁分離（Tb.Sp）。

顯微CT圖像的目視檢查在4周時，對照組表現(xiàn)出嚴(yán)重的植入物周圍骨損失，在Ti植入物（灰色）和周圍股骨之間具有大的間隙，并且稀疏，骨小梁結(jié)構(gòu)紊亂--與持續(xù)感染引起的骨吸收一致。MPDA組顯示出類似的骨破壞模式，新骨形成最少，植入物-骨間隙顯著，證實(shí)惰性MPDA載體不能減輕感染相關(guān)的骨丟失或支持再生。相反，Se-MPDA和MPDA-Cu組顯示出適度的改善：種植體-骨間隙變窄，種植體周圍有分散的新骨區(qū)域（黃色），表明單獨(dú)使用Se或Cu²⁺可以通過減輕感染和激活成骨途徑部分促進(jìn)骨再生。Se-MPDA-Cu組（共負(fù)載Se和Cu²⁺）顯示出進(jìn)一步增強(qiáng)，種植體周圍有更廣泛的新骨覆蓋，小梁破壞減少-反映了Se和Cu²⁺在平衡感染控制和骨修復(fù)方面的協(xié)同作用。最值得注意的是，Se-MPDA-Cu-D組在4周時表現(xiàn)出最穩(wěn)健的新骨形成：植入物-骨間隙幾乎被新形成的骨填充。骨小梁網(wǎng)更致密、更有組織。到了第8周，這一趨勢進(jìn)一步放大：對照組和MPDA組仍然顯示出顯著的骨丟失和較差的種植體整合，而Se-MPDA和MPDA-Cu組具有中等程度的新骨增加。Se-MPDA-Cu組顯示出改善的小梁連接性，但Se-MPDA-Cu-D組實(shí)現(xiàn)了幾乎完全的骨整合，植入物被致密的新骨和與健康骨組織難以區(qū)分的連續(xù)小梁網(wǎng)完全包封。

定量顯微CT分析（圖9B）證實(shí)了這些視覺觀察結(jié)果，并提供了骨再生功效的數(shù)值驗(yàn)證。BV/TV是骨體積相對于總組織體積的關(guān)鍵指標(biāo)，與骨強(qiáng)度和承重能力直接相關(guān)，4周時，對照組和MPDA組的BV/TV最低（分別為32.9%和31.6%）。Se-MPDA和MPDA-Cu組的BV/TV值分別為50.1%和61.9%，Se-MPDA-Cu組的BV/TV值為68.3%，而Se-MPDA-Cu-D組的BV/TV值為70.8%，高于其他各組。到8周時，所有組的BV/TV值均增加，但Se-MPDA-Cu-D組仍保持最高值（83.1%），而對照組為37.40%，MPDA組為39.9%，Se-MPDA組為60.7%，MPDA組為72.3%，Se-MPDA-Cu組為71.4%。這表明Se-MPDACu-D納米粒不僅能促進(jìn)早期骨再生，而且能支持持續(xù)的骨成熟。反映個體骨小梁支柱大小并與骨抗壓強(qiáng)度相關(guān)的骨小梁厚度（Tb.Th）也遵循類似的趨勢。4周時，對照組和MPDA組的骨小梁較薄（分別為0.21 mm和0.20 mm），而Se-MPDA和MPDA-Cu組的骨小梁中度增厚（分別為0.23 mm和0.24 mm）。Se-MPDA-Cu組的Tb.Th為1.028 mm，Se-MPDA-Cu-D組的Tb. Th為1.033 mm。

到第8周，Se-MPDA-Cu-D組的Tb.Th增加到0.35 mm，幾乎是對照組（0.21 mm）的兩倍，證實(shí)了厚的機(jī)械穩(wěn)定的骨小梁的形成。骨小梁數(shù)（Tb.N）是衡量骨小梁密度和連接性的指標(biāo)，而骨小梁分離（Tb.Sp）則量化了骨小梁之間的間距，進(jìn)一步驗(yàn)證了SeMPDA-Cu-D納米顆粒的上級再生能力。在第4周時，對照組的Tb.N最低（1.30 mm⁻¹），Tb.Sp最高（0.30 mm），表明骨小梁網(wǎng)絡(luò)稀疏、不連續(xù)。相比之下，Se-MPDA-Cu-D組的Tb.N為1.8 mm⁻¹，Tb.Sp為0.25 mm 反映了致密、連接良好的骨小梁結(jié)構(gòu)。到8周時，Se-MPDA-Cu-D組的Tb.N增加到2.1 mm⁻¹，Tb.Sp下降到0.19 mm,與健康骨相當(dāng)。相比之下，對照組的Tb.N仍為1.30 mm⁻¹，Tb.Sp仍為0.30 mm，表明持續(xù)性小梁丟失。

總的來說，微CT結(jié)果證明Se-MPDA-Cu-D NP在大鼠IAI模型中顯著增強(qiáng)體內(nèi)骨再生和植入物骨整合。（BV/TV，Tb.Th，Tb.N，Tb.Sp）和新骨形成的視覺證據(jù)證實(shí)，Se-MPDA-Cu-D NPs通過將靶向抗菌活性與促骨形成活性相結(jié)合，為骨整合創(chuàng)造了有利的微環(huán)境。這將Se-MPDA-Cu-D NPs與傳統(tǒng)的IAI治療區(qū)分開來，傳統(tǒng)的IAI治療通常只關(guān)注感染清除，而不能解決相關(guān)的骨丟失。對于臨床翻譯，這些發(fā)現(xiàn)表明Se-MPDA-Cu-D NPs可以作為雙功能治療劑，以提高感染骨缺損情況下假體植入的成功率。

圖9.Se-MPDA-Cu-D NP的體內(nèi)骨再生評估。（A）股骨的Micro-CT。矢狀面、冠狀面、3D重建和ROI重建（黃色標(biāo)簽突出顯示新形成的骨。灰色標(biāo)簽表示鈦植入物）。（B）骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）、小梁厚度（Tb. Th），骨小梁數(shù)目（Tb. N）和小梁分離（Tb. Sp）的位置。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論
作者開發(fā)了一種多功能細(xì)菌捕獲納米藥物（Se-MPDA-Cu-D 納米顆粒），通過類銅死亡與免疫原性細(xì)菌死亡（IBD）作用，增強(qiáng)了植入物相關(guān)感染（IAIs）的免疫治療效果。該納米藥物表面修飾的 D - 丙氨酸可通過結(jié)合肽聚糖實(shí)現(xiàn)對 MRSA 的靶向捕獲；而在酸性、高谷胱甘肽（GSH）的生物膜微環(huán)境中，藥物會響應(yīng)性釋放 Cu²⁺與硒納米顆粒：Cu²⁺通過類芬頓反應(yīng)生成活性氧（ROS），硒納米顆粒則消耗 GSH，二者協(xié)同誘導(dǎo)類銅死亡 —— 具體表現(xiàn)為細(xì)菌銅蓄積、脂質(zhì)過氧化、DNA 損傷及代謝崩潰。除直接抗菌作用外，Se-MPDA-Cu-D 納米顆粒還可誘導(dǎo)免疫原性細(xì)菌死亡，激活樹突狀細(xì)胞（DCs）、增強(qiáng) T 細(xì)胞浸潤并減少髓源性抑制細(xì)胞（MDSCs），從而逆轉(zhuǎn)免疫抑制狀態(tài)。體內(nèi)研究證實(shí)，在大鼠 IAIs 模型中，該納米藥物可有效清除生物膜、顯著促進(jìn)骨再生并恢復(fù)骨整合，且具有良好的生物安全性。這種策略整合了靶向納米技術(shù)、類銅死亡與免疫原性細(xì)菌死亡機(jī)制，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)療法的不足，為對抗耐藥性植入物感染提供了極具前景的治療平臺。

使用設(shè)備

 Micro CT（型號：VENUS）（平生醫(yī)療科技）
影像軟件：Avatar（平生醫(yī)療科技）