材料科学顶刊IF:29.4 |工程手段 干预细菌铁死亡

8月1日，凌恩生物客户四川大学邓怡及白丁等在《Advanced Materials》发表题为Engineered bio-heterojunction confers extra- and intracellular bacterial ferroptosis and hunger-triggered cell protection for diabetic wound repair的研究论文。该研究报道了一种新型生物异质结F-bio-HJ，可靶向引起细胞内外细菌铁死亡，同时通过饥饿触发保护宿主细胞，最终促进糖尿病感染伤口的愈合。研究使用金黄色葡萄球菌和大肠杆菌进行抗菌检测，其中细菌转录组测序工作由凌恩生物完成。01

文章要点

细菌感染是对公共卫生最突出威胁之一，胞内感染在治疗中常被忽视，导致感染经久不愈。该研究报道一种新型工程化生物异质结F-bio-HJ，可靶向引起细胞内、外细菌铁死亡，实现快速杀菌的效果。同时F-bio-HJ通过葡萄糖氧化酶营造饥饿环境，激活宿主细胞AMPK通路抑制铁死亡，保护宿主细胞在感染情况下的免疫及修复功能，最终促进糖尿病感染伤口的愈合。

02

研究主要结果

1.F-bio-HJ优异的光热、光动力及化学动力性能

在近红外光谱（NIR）照射下，F-bio-HJ具有非常良好的光热性能。良好的电子-空穴对的分离能力使F-bio-HJ可在NIR光照下连续产生多种活性氧，显示出了良好的光动力性能。

2.F-bio-HJ高效的细胞内外抗菌性能

F-bio-HJ可生成大量活性氧（ROS）及Fe2+，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有显著的杀伤作用。对于胞外细菌，F-bio-HJ可损害细菌细胞膜的通透性，从而加速了Fe2+和ROS的进入，通过铁死亡快速杀菌。对于胞内细菌，Fe2+可通过巨噬细胞内的铁转运蛋白（FPN）转运到吞噬胞内细菌的囊泡中，引发细胞内吞细菌的铁死亡，达到快速清除胞内细菌的效果。

3.F-bio-HJ安全的饥饿触发细胞保护机制

GOx消耗葡萄糖向细胞传送饥饿信号，激活细胞AMPK信号通路，抑制细胞铁死亡。不仅可保护受感染的巨噬细胞维持正常的免疫功能，还可使伤口从炎性状态早日转为修复状态，促进皮肤组织修复。糖尿病大鼠模型显示，F-bio-HJ治疗组7天后伤口愈合率为87.84%，证明F-bio-HJ具有促进糖尿病感染伤口愈合的能力。

 图1 F-bio-HJ总体示意图

图2 FM和FMG Bio-HJS的表征。(a) MAX、S-MXene、FO、FM和FMG的扫描电子显微镜。(b) Ti3C2、Ti3AlC2和(c) FO、MX、FM1、FM5和FM10的X射线衍射。FM的(d) 透射电子显微镜和(e) 高分辨率透射电子显微镜。(f) FMG的EDS分析。(g) FM的元素映射。(h) MX、FO、FM和FMG的总XPS谱。(i) FMG的Fe 2p XPS谱。(j) MX、Fe(NO3)3 (FN)、FO、FM、GOx和FMG的ζ电势。

图3 用RNA-seq分析探讨F-bio-HJS的抗胞外细菌机制。(a) 所有样品的TPM分布。(b) DEGs火山图。(b) 所有样品的相关分析。(d) 用GO富集项测定CON和FMG中的DEGS。(e) DES的KEGG浓缩。(f) 代谢途径中DEGS的热图。(g) 环境信息处理途径中DEGS的热图。(H) FMG Bio-HJS的抗胞外细菌机制示意图。

图4 细胞内抗菌特性。(a) 细胞内抗菌性能评估的示意图。(b) 在NIR照射下用PBS、FM和FMG处理的细胞内大肠杆菌的TEM表征。(c) 在1、3、6和24小时后用不同处理的RAW264.7巨噬细胞中用FPN(红色)和GPX4(黄色)免疫荧光染色的大肠杆菌(EGFP-BL21，绿色)的共聚焦成像。DAPI染色的细胞核(蓝色)。(d) TFR、TF、FPN和铁蛋白在RAW264.7细胞中表达的蛋白质印迹。(e) TFR，(f) TF和(g) FPN的灰度统计。

图5 F-bio-HJs的体内治疗评估。(a) 对SD大鼠的糖尿病感染伤口建立和治疗过程的图示。(b) 在近红外辐射(808 nm，1.5 W·cm-2)下的红外热照片。处理后从伤口收集的(c) 混浊液体和(d) 细菌菌落的图像。(e) 受感染伤口经过不同处理的大鼠伤口区域的照片。(f) 处死当天大鼠血清生化指标的热图。(g) FMG、FM和BL/PBS对照组的综合表现。

03

研究结论

与以往纳米材料介导的铁死亡策略相比，F-bio-HJ大大提高了铁死亡介导的抗菌策略的生物相容性，为铁死亡相关纳米材料及难治性感染的治疗策略提供了重要的参考意义。本研究结果提供了细菌靶向生物HJS的设计，以启发多种感染性疾病的通用治疗策略或候选药物。

四川大学华西口腔医学院2021级博士生戴雯玉和舒睿副教授为该论文共同第一作者，四川大学华西口腔医学院白丁教授与四川大学化学工程学院邓怡副教授、生物医学工程学院杨为中教授为共同通讯作者。

参考文献：Wenyu Dai, Rui Shu, Fan Yang, Bin Li, Hannah M. Johnson, Sheng Yu, Hang Yang, Yau Kei Chan, Weizhong Yang, Ding Bai, Yi Deng. Engineered bio-heterojunction confers extra- and intracellular bacterial ferroptosis and hunger-triggered cell protection for diabetic wound repair. Advanced Materials, 2023.