文献信息

青岛大学附属医院骨科，河北医科大学第三附属医院骨科等单位的研究成果“An intelligent bacterial capture nanodrug enhances immunotherapy for implant-associated infections by inducing cuproptosis-like death in bacteria”（一种智能细菌捕获纳米药物通过诱导细菌中的铜中毒样死亡来增强植入物相关感染的免疫治疗）在《JOURNAL OF CONTROLLED RELEASE》（IF=11.5）杂志上发表。平生公司的离体CT（VENUS）在论文中提供小鼠骨标本图像和定量分析。

该研究的通讯作者为张英泽院士。第一作者胡晓东。

文献摘要

植入物相关感染（IAI），特别是涉及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的感染，由于细菌生物膜形成和局部免疫抑制而成为主要的临床挑战。为了解决这个问题，作者开发了一种智能细菌捕获纳米药物，称为Se-MPDA-Cu-D纳米颗粒（NP），旨在通过协同抗菌策略增强免疫治疗。该纳米平台以表面修饰的 D - 丙氨酸实现对细菌肽聚糖的靶向结合，从而精准定位至感染部位。在酸性、富含谷胱甘肽的生物膜微环境中，纳米药物响应性地释放铜离子（Cu²⁺）和硒（Se）纳米颗粒，引发有效的化学动力学治疗，破坏氧化还原稳态并诱导细菌中的铜中毒样死亡。该过程的特征是铜积累、脂质过氧化、DNA损伤和铁硫簇蛋白损伤。除了其直接的抗菌功效外，该治疗还促进了强大的免疫原性细菌死亡（IBD）反应，激活树突状细胞，增强T细胞浸润，并逆转免疫抑制微环境。在 MRSA 感染的大鼠 IAIs 模型中，Se-MPDA-Cu-D 纳米颗粒有效清除了生物膜，显著促进新骨再生并恢复骨整合。这种多功能纳米治疗策略通过整合靶向细菌捕获、类铜死亡与免疫原性细菌死亡，为对抗耐药性植入物感染提供了极具前景的解决方案。

实验方法

实验结果

为了更彻底地评价Se-MPDA-Cu-D纳米颗粒对周围骨组织的影响，微型计算机断层扫描在完成治疗后，对大鼠的右股骨进行显微CT（micro-CT）扫描和三维重建分析。CT是评估骨微结构的金标准非侵入性技术，因为它可以定量测量反映骨质量、数量和再生能力的关键参数，这些参数对于确定种植体骨整合的成功至关重要。分析重点是钛种植体周围的感兴趣区域（ROI），包括矢状面、冠状面、和3D重建（图9A）提供了对新骨形成的视觉洞察，而定量度量（图9 B），包括骨体积分数（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）、骨小梁数量（Tb.N）和骨小梁分离（Tb.Sp），提供了对骨微结构完整性的客观评价。

显微CT图像的目视检查在4周时，对照组表现出严重的植入物周围骨损失，在Ti植入物（灰色）和周围股骨之间具有大的间隙，并且稀疏，骨小梁结构紊乱--与持续感染引起的骨吸收一致。MPDA组显示出类似的骨破坏模式，新骨形成最少，植入物-骨间隙显著，证实惰性MPDA载体不能减轻感染相关的骨丢失或支持再生。相反，Se-MPDA和MPDA-Cu组显示出适度的改善：种植体-骨间隙变窄，种植体周围有分散的新骨区域（黄色），表明单独使用Se或Cu²⁺可以通过减轻感染和激活成骨途径部分促进骨再生。Se-MPDA-Cu组（共负载Se和Cu²⁺）显示出进一步增强，种植体周围有更广泛的新骨覆盖，小梁破坏减少-反映了Se和Cu²⁺在平衡感染控制和骨修复方面的协同作用。最值得注意的是，Se-MPDA-Cu-D组在4周时表现出最稳健的新骨形成：植入物-骨间隙几乎被新形成的骨填充。骨小梁网更致密、更有组织。到了第8周，这一趋势进一步放大：对照组和MPDA组仍然显示出显著的骨丢失和较差的种植体整合，而Se-MPDA和MPDA-Cu组具有中等程度的新骨增加。Se-MPDA-Cu组显示出改善的小梁连接性，但Se-MPDA-Cu-D组实现了几乎完全的骨整合，植入物被致密的新骨和与健康骨组织难以区分的连续小梁网完全包封。

定量显微CT分析（图9B）证实了这些视觉观察结果，并提供了骨再生功效的数值验证。BV/TV是骨体积相对于总组织体积的关键指标，与骨强度和承重能力直接相关，4周时，对照组和MPDA组的BV/TV最低（分别为32.9%和31.6%）。Se-MPDA和MPDA-Cu组的BV/TV值分别为50.1%和61.9%，Se-MPDA-Cu组的BV/TV值为68.3%，而Se-MPDA-Cu-D组的BV/TV值为70.8%，高于其他各组。到8周时，所有组的BV/TV值均增加，但Se-MPDA-Cu-D组仍保持最高值（83.1%），而对照组为37.40%，MPDA组为39.9%，Se-MPDA组为60.7%，MPDA组为72.3%，Se-MPDA-Cu组为71.4%。这表明Se-MPDACu-D纳米粒不仅能促进早期骨再生，而且能支持持续的骨成熟。反映个体骨小梁支柱大小并与骨抗压强度相关的骨小梁厚度（Tb.Th）也遵循类似的趋势。4周时，对照组和MPDA组的骨小梁较薄（分别为0.21 mm和0.20 mm），而Se-MPDA和MPDA-Cu组的骨小梁中度增厚（分别为0.23 mm和0.24 mm）。Se-MPDA-Cu组的Tb.Th为1.028 mm，Se-MPDA-Cu-D组的Tb. Th为1.033 mm。

到第8周，Se-MPDA-Cu-D组的Tb.Th增加到0.35 mm，几乎是对照组（0.21 mm）的两倍，证实了厚的机械稳定的骨小梁的形成。骨小梁数（Tb.N）是衡量骨小梁密度和连接性的指标，而骨小梁分离（Tb.Sp）则量化了骨小梁之间的间距，进一步验证了SeMPDA-Cu-D纳米颗粒的上级再生能力。在第4周时，对照组的Tb.N最低（1.30 mm⁻¹），Tb.Sp最高（0.30 mm），表明骨小梁网络稀疏、不连续。相比之下，Se-MPDA-Cu-D组的Tb.N为1.8 mm⁻¹，Tb.Sp为0.25 mm 反映了致密、连接良好的骨小梁结构。到8周时，Se-MPDA-Cu-D组的Tb.N增加到2.1 mm⁻¹，Tb.Sp下降到0.19 mm,与健康骨相当。相比之下，对照组的Tb.N仍为1.30 mm⁻¹，Tb.Sp仍为0.30 mm，表明持续性小梁丢失。

总的来说，微CT结果证明Se-MPDA-Cu-D NP在大鼠IAI模型中显著增强体内骨再生和植入物骨整合。（BV/TV，Tb.Th，Tb.N，Tb.Sp）和新骨形成的视觉证据证实，Se-MPDA-Cu-D NPs通过将靶向抗菌活性与促骨形成活性相结合，为骨整合创造了有利的微环境。这将Se-MPDA-Cu-D NPs与传统的IAI治疗区分开来，传统的IAI治疗通常只关注感染清除，而不能解决相关的骨丢失。对于临床翻译，这些发现表明Se-MPDA-Cu-D NPs可以作为双功能治疗剂，以提高感染骨缺损情况下假体植入的成功率。

实验结论

作者开发了一种多功能细菌捕获纳米药物（Se-MPDA-Cu-D 纳米颗粒），通过类铜死亡与免疫原性细菌死亡（IBD）作用，增强了植入物相关感染（IAIs）的免疫治疗效果。该纳米药物表面修饰的 D - 丙氨酸可通过结合肽聚糖实现对 MRSA 的靶向捕获；而在酸性、高谷胱甘肽（GSH）的生物膜微环境中，药物会响应性释放 Cu²⁺与硒纳米颗粒：Cu²⁺通过类芬顿反应生成活性氧（ROS），硒纳米颗粒则消耗 GSH，二者协同诱导类铜死亡 —— 具体表现为细菌铜蓄积、脂质过氧化、DNA 损伤及代谢崩溃。除直接抗菌作用外，Se-MPDA-Cu-D 纳米颗粒还可诱导免疫原性细菌死亡，激活树突状细胞（DCs）、增强 T 细胞浸润并减少髓源性抑制细胞（MDSCs），从而逆转免疫抑制状态。体内研究证实，在大鼠 IAIs 模型中，该纳米药物可有效清除生物膜、显著促进骨再生并恢复骨整合，且具有良好的生物安全性。这种策略整合了靶向纳米技术、类铜死亡与免疫原性细菌死亡机制，弥补了传统疗法的不足，为对抗耐药性植入物感染提供了极具前景的治疗平台。

使用设备

                                            Micro CT（型号：VENUS）（平生医疗科技）

                                                    影像软件：Avatar（平生医疗科技）