近红外光驱动仿生金属有机框架放大细菌铜死亡用于纳米催化增强细菌性肺炎免疫治疗

《Bioactive Materials》：Amplifying bacterial cuproptosis by NIR driven biomimetic metal organic framework for nanocatalytic enhanced bacterial pneumonia immunotherapy

　　

摘要：临床中细菌性肺炎等感染性疾病的传统疗法存在局限性，抗生素治疗具有细胞毒性且易导致细菌耐药性。研究人员提出一种新型仿生纳米平台CM，由铜基金属有机框架（Cu-based Metal-Organic Framework, Cu-MOF）为核心、外裹巨噬细胞细胞膜（Macrophage Membrane, MM）构成。体外（in vitro）与体内（in vivo）实验均证实CM继承了原始MM的特性，可特异性靶向感染部位，在近红外（Near-Infrared, NIR）照射下促进细菌内铜离子蓄积，产生内源性活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）及炎症相关因子，最终实现高效杀菌。转录组学与代谢组学揭示CM + NIR可诱导胞内铜过载，从而促进细菌铜死亡（cuproptosis）。显著的是，CM + NIR通过诱导巨噬细胞M1型极化及调节免疫细胞数量与比例激活免疫调节清除细菌。综上，CM + NIR协同促进细菌铜死亡与免疫激活实现全阶段细菌清除，为细菌性肺炎提供精准治疗策略，也为感染性疾病靶向治疗提供通用思路。

论文解读：近红外光驱动仿生金属有机框架放大细菌铜死亡用于纳米催化增强细菌性肺炎免疫治疗

肺炎是呼吸系统急性感染致死首因，尤其危害儿童与老人，其中细菌性肺炎死亡率高。现行主流抗生素疗法易诱发多重耐药菌、引起复发感染及全身炎症反应，亟需非抗生素依赖的新型抗菌策略。铜（Cu）作为人体必需微量元素具固有杀菌性，过量胞内Cu可结合三羧酸循环（Tricarboxylic Acid Cycle, TCA cycle）硫辛酰化蛋白引发蛋白毒性应激致细胞死亡——即铜死亡（cuproptosis），该机制近年于真核细胞被确认并可拓展至细菌。纳米酶（nanozyme）具类酶催化活性可产ROS杀伤菌，但普通纳米粒缺乏靶向性易致正常组织毒。细胞模仿生技术利用巨噬细胞膜（Macrophage Membrane, MM）表面炎症趋化受体赋予纳米粒感染灶归巢能力。基于此，研究人员设计Cu-MOF核—MM壳仿生纳米酶CM，联合NIR照射放大Cu释放与催化活性，旨在同步诱导细菌铜死亡与免疫激活治疗细菌性肺炎。该文发表于《Bioactive Materials》。

主要关键技术方法

研究人员采用水热法合成Cu²⁺与2-氨基对苯二甲酸（BDC）配位形成Cu基MOF（CB, Cu-based MOF），超声破碎提取RAW264.7巨噬细胞细胞膜（MM），通过共挤出法包裹CB得仿生纳米粒CM。采用透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积法、热重分析（TGA）、Zeta电位及荧光共定位验证表征。选用肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae, Spn）与大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）为革兰氏阳性/阴性模式菌，SD大鼠气管内滴注Spn+E.coli建立细菌性肺炎模型。体外评估光热效应、ROS（·OH、·O₂^?、¹O₂）生成、类过氧化物酶（Peroxidase, POD）/过氧化氢酶（Catalase, CAT）/谷胱甘肽过oxidase（Glutathione Peroxidase, GSH-Px）活性、抗菌活死菌染色、扫描电镜（SEM）、胞内Cu浓度、丙二醛（Malondialdehyde, MDA）、呼吸链复合物I/II活性、FDX1蛋白Western blot及转录组+代谢组测序。细胞实验采用RAW264.7与BEAS-2B评估摄取、TLR4抑制验证靶向、M1/M2极化（CD86/CD206）、吞噬功能、炎症因子（TNF-α、IL-6、IL-10）ELISA及RT-qPCR。体内行小动物活体成像（In Vivo Imaging System, IVIS）示踪生物分布、光热成像、溶血、血常规生化、肺菌落计数、髓过氧化物酶（Myeloperoxidase, MPO）、组织H&E/免疫荧光（CD86、CD206、HSP70、VEGF、CD4⁺、CD8⁺T细胞）及电感耦合等离子体质谱（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS）Cu残留检测。

3.1. Preparation and physicochemical characterization（制备与理化表征）

研究人员水热合成约50 nm球形CB，XRD/BET/XPS证实典型MOF结构且含Cu⁺/Cu²⁺（比值0.61），Cu质量分数25.64%。MM包裹后荧光共定位与蛋白电泳证明CM成功形成，MM包封率10.09%，Zeta电位由CB的?9.54 mV变为?23.63 mV。CM在生理液中24 h尺寸及电位稳定，酸性（pH=5.0）及高H₂O₂条件下Cu²⁺释放加速（72 h释出67.58%@pH5.0）。808 nm NIR（1 W/cm²）下CM具光热升温能力（100 μg/mL, 10 min升至54.8℃），光热转换效率44.5%，四次开?关循环稳定。电子自旋共振（Electron Spin Resonance, ESR）与试剂盒证实CM+NIR显著产·OH、·O₂^?、¹O₂，且CAT、POD、GSH-Px类酶活性较CM单独提升（pH降低及NIR均增强酶活性），证实NIR驱动催化放大而非单纯热效应。

3.2. In vitro bacterial cuproptosis therapy（体外细菌铜死亡治疗）

平板计数CM+NIR对Spn和E.coli杀菌率显著高于CB/CM（Spn存活CFU由764→21，E.coli由676→7），活死染色与流式一致。DCFH-DA探针示CM+NIR致菌内ROS最高；SEM见菌膜严重破损。转录组差异基因富集于TCA循环、氧化磷酸化、ABC转运蛋白通路，代谢组佐证TCA循环扰动；呼吸链复合物I/II活性显著受抑（CM+NIR分别降至33.82%、43.39%），菌内Cu浓度升至2.68 mg/L（对照0.79 mg/L），MDA升至3.95 mM，FDX1蛋白表达下调——符合铜死亡特征：Cu过载抑制TCA、引发脂质过氧化与蛋白毒性致细菌死亡。酸性环境增强CM裸杀菌效印证Cu²⁺控释重要性。

3.3. In vitro anti-infectious immunotherapy（体外抗感染免疫调节）

CCK-8示100 μg/mL CM对RAW264.7与BEAS-2B存活率>90%（优于CB）。Cy5示踪MM使巨噬细胞摄取CM高于CB，LPS活化后摄取更强，TLR4（Toll-Like Receptor 4）抑制剂阻断摄取证MM受体介导靶向。Transwell示CM+NIR促巨噬细胞迁移。CM+NIR上调RAW264.7胞内ROS、促炎因子（IL-6、TNF-α）mRNA及蛋白、下调IL-10，免疫荧光与流式见CD86↑/CD206↓（M1/M2比值由31%升至284%），iNOS↑/Arg-1↓；共孵育见M1型巨噬细胞吞噬Spn/E.coli能力最强，且促组织修复标志物热休克蛋白70（Heat Shock Protein 70, HSP70）与CD31（血小板内皮细胞黏附分子?1, Platelet Endothelial Cell Adhesion Molecule?1, PECAM?1）高表达，NIR单独无此效应。

3.4. In vivo anti-infectious therapy（体内抗感染治疗）

IVIS示Cy5-CM在肺炎大鼠肺组织特异富集（1–8 h强荧光），正常大鼠及裸CB无此现象，证MM炎症归巢。NIR照射感染肺局部温升至50.9℃。溶血率<1.5%，14天体重/血生化/主要脏器H&E无异常，ICP-MS示治疗后器官Cu可代谢。治疗7天后CM+NIR组肺菌落数降至72 CFU/mL（对照组8.32×10⁶），MPO与MDA回至假手术组水平，大体与H&E示肺充血水肿消退、肺泡结构恢复。肺组织HSP70与血管内皮生长因子（Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF）免疫荧光强于他组。肺匀浆IL-6/TNF-α↑、IL-10↓，CD86⁺/CD206⁺M1极化比升高，CD4⁺T细胞↑、CD8⁺T细胞↓致CD4⁺/CD8⁺比值升高，外周血与脾呈相同趋势，证系统性免疫激活。

总结与结论翻译

综上所述，研究人员设计了一种结合NIR照射用于增强细菌性肺炎免疫治疗的新型仿生纳米酶（CM）。证实了CB具可控Cu离子释放、优良光热效应及NIR驱动ROS生成能力。CM+NIR通过特异性靶向感染肺组织、优异抗菌能力及促进肺组织修复，在体外与体内显示出对抗细菌性肺炎的卓越治疗效果。特别的是，研究人员证实CM+NIR引起的胞内铜过载通过转录调控与代谢干预有效促进了细菌铜死亡，并通过增强免疫细胞趋化与吞噬作用激活免疫调节，协同实现全阶段细菌清除，为临床抗感染治疗提供了新策略。但未来临床转化仍需对该疗法进行全面毒性评估及感染患者中的验证。