8月1日，凌恩生物客戶四川大學(xué)鄧怡及白丁等在《Advanced Materials》發(fā)表題為Engineered bio-heterojunction confers extra- and intracellular bacterial ferroptosis and hunger-triggered cell protection for diabetic wound repair的研究論文。該研究報(bào)道了一種新型生物異質(zhì)結(jié)F-bio-HJ，可靶向引起細(xì)胞內(nèi)外細(xì)菌鐵死亡，同時(shí)通過饑餓觸發(fā)保護(hù)宿主細(xì)胞，最終促進(jìn)糖尿病感染傷口的愈合。研究使用金黃色葡萄球菌和大腸桿菌進(jìn)行抗菌檢測，其中細(xì)菌轉(zhuǎn)錄組測序工作由凌恩生物完成。

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文章要點(diǎn)

細(xì)菌感染是對公共衛(wèi)生最突出威脅之一，胞內(nèi)感染在治療中常被忽視，導(dǎo)致感染經(jīng)久不愈。該研究報(bào)道一種新型工程化生物異質(zhì)結(jié)F-bio-HJ，可靶向引起細(xì)胞內(nèi)、外細(xì)菌鐵死亡，實(shí)現(xiàn)快速殺菌的效果。同時(shí)F-bio-HJ通過葡萄糖氧化酶營造饑餓環(huán)境，激活宿主細(xì)胞AMPK通路抑制鐵死亡，保護(hù)宿主細(xì)胞在感染情況下的免疫及修復(fù)功能，最終促進(jìn)糖尿病感染傷口的愈合。

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研究主要結(jié)果

1.F-bio-HJ優(yōu)異的光熱、光動(dòng)力及化學(xué)動(dòng)力性能

在近紅外光譜（NIR）照射下，F(xiàn)-bio-HJ具有非常良好的光熱性能。良好的電子-空穴對的分離能力使F-bio-HJ可在NIR光照下連續(xù)產(chǎn)生多種活性氧，顯示出了良好的光動(dòng)力性能。

2.F-bio-HJ高效的細(xì)胞內(nèi)外抗菌性能

F-bio-HJ可生成大量活性氧（ROS）及Fe2+，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有顯著的殺傷作用。對于胞外細(xì)菌，F(xiàn)-bio-HJ可損害細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性，從而加速了Fe2+和ROS的進(jìn)入，通過鐵死亡快速殺菌。對于胞內(nèi)細(xì)菌，F(xiàn)e2+可通過巨噬細(xì)胞內(nèi)的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（FPN）轉(zhuǎn)運(yùn)到吞噬胞內(nèi)細(xì)菌的囊泡中，引發(fā)細(xì)胞內(nèi)吞細(xì)菌的鐵死亡，達(dá)到快速清除胞內(nèi)細(xì)菌的效果。3.F-bio-HJ安全的饑餓觸發(fā)細(xì)胞保護(hù)機(jī)制

GOx消耗葡萄糖向細(xì)胞傳送饑餓信號，激活細(xì)胞AMPK信號通路，抑制細(xì)胞鐵死亡。不僅可保護(hù)受感染的巨噬細(xì)胞維持正常的免疫功能，還可使傷口從炎性狀態(tài)早日轉(zhuǎn)為修復(fù)狀態(tài)，促進(jìn)皮膚組織修復(fù)。糖尿病大鼠模型顯示，F(xiàn)-bio-HJ治療組7天后傷口愈合率為87.84%，證明F-bio-HJ具有促進(jìn)糖尿病感染傷口愈合的能力。

?圖1 F-bio-HJ總體示意圖

圖2 FM和FMG Bio-HJS的表征。(a) MAX、S-MXene、FO、FM和FMG的掃描電子顯微鏡。(b) Ti3C2、Ti3AlC2和(c) FO、MX、FM1、FM5和FM10的X射線衍射。FM的(d) 透射電子顯微鏡和(e) 高分辨率透射電子顯微鏡。(f) FMG的EDS分析。(g) FM的元素映射。(h) MX、FO、FM和FMG的總XPS譜。(i) FMG的Fe 2p XPS譜。(j) MX、Fe(NO3)3 (FN)、FO、FM、GOx和FMG的ζ電勢。

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圖3 用RNA-seq分析探討F-bio-HJS的抗胞外細(xì)菌機(jī)制。(a)?所有樣品的TPM分布。(b) DEGs火山圖。(b)?所有樣品的相關(guān)分析。(d)?用GO富集項(xiàng)測定CON和FMG中的DEGS。(e) DES的KEGG濃縮。(f)?代謝途徑中DEGS的熱圖。(g)?環(huán)境信息處理途徑中DEGS的熱圖。(H) FMG Bio-HJS的抗胞外細(xì)菌機(jī)制示意圖。

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圖4 細(xì)胞內(nèi)抗菌特性。(a)?細(xì)胞內(nèi)抗菌性能評估的示意圖。(b)?在NIR照射下用PBS、FM和FMG處理的細(xì)胞內(nèi)大腸桿菌的TEM表征。(c)?在1、3、6和24小時(shí)后用不同處理的RAW264.7巨噬細(xì)胞中用FPN(紅色)和GPX4(黃色)免疫熒光染色的大腸桿菌(EGFP-BL21，綠色)的共聚焦成像。DAPI染色的細(xì)胞核(藍(lán)色)。(d) TFR、TF、FPN和鐵蛋白在RAW264.7細(xì)胞中表達(dá)的蛋白質(zhì)印跡。(e) TFR，(f) TF和(g) FPN的灰度統(tǒng)計(jì)。

圖5 F-bio-HJs的體內(nèi)治療評估。(a)?對SD大鼠的糖尿病感染傷口建立和治療過程的圖示。(b)?在近紅外輻射(808 nm，1.5 W·cm-2)下的紅外熱照片。處理后從傷口收集的(c)?混濁液體和(d)?細(xì)菌菌落的圖像。(e)?受感染傷口經(jīng)過不同處理的大鼠傷口區(qū)域的照片。(f)?處死當(dāng)天大鼠血清生化指標(biāo)的熱圖。(g) FMG、FM和BL/PBS對照組的綜合表現(xiàn)。

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研究結(jié)論

與以往納米材料介導(dǎo)的鐵死亡策略相比，F(xiàn)-bio-HJ大大提高了鐵死亡介導(dǎo)的抗菌策略的生物相容性，為鐵死亡相關(guān)納米材料及難治性感染的治療策略提供了重要的參考意義。本研究結(jié)果提供了細(xì)菌靶向生物HJS的設(shè)計(jì)，以啟發(fā)多種感染性疾病的通用治療策略或候選藥物。

四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院2021級博士生戴雯玉和舒睿副教授為該論文共同第一作者，四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院白丁教授與四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院鄧怡副教授、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院楊為中教授為共同通訊作者。

參考文獻(xiàn)：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.