光可逆淀粉样纳米网络：用于耐药菌感染治疗与组织再生的智能仿生材料

《Nature Communications》：Photo-reversible amyloid nanoNETs for regenerative antimicrobial therapies

本研究针对抗生素耐药性加剧和生物膜耐受性导致的细菌感染难题，受中性粒细胞胞外诱捕网（NETs）启发，开发了一种基于溶菌酶可逆柔性淀粉样纳米纤维（FFs）的光响应水凝胶（nanoNETs）。该材料在近红外（NIR）照射下可逆解组装，释放具有杀菌活性的溶菌酶单体及Mg2+离子，实现“捕获-杀灭”病原体与巨噬细胞M2极化促修复的双重功能。小鼠及猪模型实验表明，该材料能有效加速耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染伤口愈合及假体周围关节感染控制，为耐药菌感染治疗提供了兼具抗菌与再生功能的创新策略。

　　

在全球健康危机中，耐药细菌感染每年导致约770万人死亡，给医疗系统带来沉重负担。尤其随着抗生素滥用导致的抗菌素耐药性（AMR）问题日益严峻，世界卫生组织（WHO）已将其列为十大全球公共卫生威胁之一。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）等多重耐药病原体的流行，不仅引发感染，还通过形成生物膜破坏细胞迁移和血管生成，阻碍组织修复，延长炎症反应，加剧组织损伤。面对这些复杂挑战，迫切需要既能彻底清除病原体，又能促进组织微环境恢复的创新治疗策略。

在人体天然免疫系统中，中性粒细胞是抵御病原体的第一道防线。其关键机制之一是释放中性粒细胞胞外诱捕网（NETs），该网络由DNA、组蛋白、髓过氧化物酶（MPO）和中性粒细胞弹性蛋白酶（NE）等组成，能物理捕获并中和病原体。然而，NETs的过度释放会损伤组织，而现有合成NETs仿生材料往往存在结构复杂、生物相容性差、缺乏内在抗菌活性等问题。溶菌酶作为先天免疫系统的关键防御肽，能水解细菌细胞壁肽聚糖，但其天然形式易聚集失活，限制了应用。

为此，研究团队利用天然蛋清溶菌酶在中性pH下快速热激形成可逆柔性淀粉样纳米纤维（FFs）的特性，构建了一种新型仿NETs水凝胶——nanoNETs。与常规刚性淀粉样纤维（RFs）不同，FFs能可逆组装：在近红外（NIR）光热效应下，FFs解组装为具有杀菌活性的溶菌酶单体，同时释放预载的Mg²⁺离子，后者可重编程巨噬细胞为促再生M2表型，减轻炎症。该材料在小鼠和猪的MRSA感染伤口模型及假体周围关节感染（PJI）模型中均展现出卓越的抗菌和促愈合能力。

研究采用的关键技术方法包括：通过原子力显微镜（AFM）和圆二色光谱（CD）表征FFs/RFs的形貌与结构；利用硫黄素T（ThT）荧光染色和流变学分析水凝胶的光热可逆性与力学性能；通过菌落形成单位（CFU）计数、扫描电镜（SEM）及活/死细菌染色评估抗菌效果；采用流式细胞术和免疫荧光染色分析巨噬细胞极化；通过显微CT（micro-CT）和步态分析评价骨修复及关节功能恢复。动物实验使用BALB/c小鼠（伤口及PJI模型）和巴马猪（皮肤伤口模型），所有操作均遵循相关伦理规范。

光热可逆性表征

AFM显示FFs呈短卷曲状（直径2.5 nm），而RFs为长刚性结构（直径7.8 nm）。加入吲哚菁绿（ICG）后，FFs的持久长度从60 nm增至120 nm，且其在NIR照射下具有优异的光热转换效率。CD光谱证实加热后FFs的β-折叠结构向无规卷曲转变，而RFs结构稳定。流变学测试表明，FFs水凝胶在加热时机械强度显著降低，源于凝胶软化和纤维解组装的双重效应。

体外生物活性评价

细胞实验显示，1 wt.%溶菌酶单体使L-929成纤维细胞存活率降至50%，而FFs和RFs均维持90%以上存活率，表明纳米纤维化可降低毒性。加热（60°C）后，FFs释放的溶菌酶单体浓度增加5倍，且酶活性与浓度线性相关。抗菌实验表明，FFs-ICG在低强度NIR（0.3 W/cm2）下对MRSA的杀菌率达95.4%±0.6%，显著高于RFs-ICG（81.5%±3.8%），并对铜绿假单胞菌和白色念珠菌亦有效。同时，NIR触发Mg²⁺释放量增加8倍，促进Raw 264.7巨噬细胞向M2表型极化（极化率36.7%±1.3%），其培养上清可提升成纤维细胞增殖39.91%。

小鼠MRSA感染伤口模型疗效

体内实验显示，NIR照射的FFs-ICG组在第14天伤口几乎完全闭合（约100%），显著优于PBS组（71.5%±8.2%），且细菌存活率降低>95%。组织学（H&E、Giemsa染色）和免疫组化（Ki-67、iNOS/CD206）分析证实，FFs-ICG组真皮/表皮重建完整，细胞增殖活跃，巨噬细胞M2极化显著。ThT染色显示NIR照射后FFs-ICG组荧光强度降低，表明纤维在体内解组装。

假体周围关节感染（PJI）模型疗效

在PJI模型中，FFs-ICG处理使植入物表面生物膜几乎完全清除，对植入物周围组织和胫骨的抗菌效率分别达99.7%±0.2%和94.6%±1.1%。显微CT显示FFs-ICG组骨体积分数（BV/TV）和小梁骨厚度（TB.Th）接近未感染组，且关节弯曲角度和步态参数（支撑时间、步幅、平均速度）均显著改善，表明其能有效缓解感染性骨溶解并恢复关节功能。

猪伤口模型验证

在模拟人类皮肤结构的猪模型中，FFs-ICG组在第15天伤口闭合率最高，且细菌存活率最低。组织学显示其真皮/表皮结构完整，胶原沉积有序，CD206阳性M2巨噬细胞比例显著升高，进一步证实了材料的促再生与免疫调节功能。

本研究通过仿生NETs机制，成功开发了一种基于溶菌酶可逆淀粉样纤维的光响应nanoNETs平台。该材料兼具病原体捕获、按需杀菌、免疫调节与组织支撑多重功能，在三种动物模型中均验证了其对耐药菌感染的高效治疗能力。该策略将天然免疫机制与材料设计相结合，为抗感染再生医学提供了新思路，并可扩展至其他防御肽（如防御素、髓过氧化物酶）的应用中。