武汉理工大学官建国教授课题组CEJ：温和光热驱动纳米机器人通过增强PDT效率和调控免疫微环境提升生物膜感染治疗效果

摘要：致病性细菌感染，尤其是生物膜感染，已成为全球公共健康的重大威胁，每年约占总死亡人数的八分之一。生物膜是一种由细菌群落嵌入胞外聚合物基质形成的复杂结构，其内部通常呈现乏氧环境，并伴随H2 O2 的过表达。生物膜为细菌提供了稳定的微环境，不仅有利于其生存，也对细菌

致病性细菌感染，尤其是生物膜感染，已成为全球公共健康的重大威胁，每年约占总死亡人数的八分之一。生物膜是一种由细菌群落嵌入胞外聚合物基质形成的复杂结构，其内部通常呈现乏氧环境，并伴随H2 O2 的过表达。生物膜为细菌提供了稳定的微环境，不仅有利于其生存，也对细菌根除提出了挑战。近年来，研究者们开发了多种基于纳米技术的创新策略用于消除生物膜感染。其中，光动力疗法（PDT）因其对细胞的非特异性识别能力及在体内感染部位优先结合细菌的特性，受到广泛关注。在特定波长的激光照射下，光敏剂被激活，产生活性氧，从而发挥抗生物膜作用。然而，生物膜的屏障效应和乏氧环境极大地限制了PDT的治疗效果。纳米机器人是一种具有自主运动能力的人工器件，能够高效突破各种生物屏障。其中，光热驱动纳米机器人凭借优异的运动性能、远程操控能力和快速响应特性，同时其运动能力受溶液中的电解质和粘度影响较小，在生物医学领域展现出巨大潜力。与PDT类似，由于光的穿透深度有限，光热驱动纳米机器人更适用于浅表感染疾病治疗。然而，为了实现有效的治疗效果，它们通常需要使用高功率密度的激光进行照射，这可能导致局部过热、不可逆的组织损伤以及明显的免疫反应。因此，光热驱动纳米机器人更适合用作载体与其它治疗方法联合构建给药系统。

鉴于此，武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室官建国教授课题组设计制备了一种温和光热驱动纳米机器人（Ce6-ACPBNRs），用于增强PDT效应并重塑伤口微环境，从而显著加速生物膜感染伤口的愈合过程。该纳米机器人以碗状聚多巴胺纳米颗粒为主体，表面依次修饰α-淀粉酶、过氧化氢酶和光敏剂Ce6。基于独特的碗状结构和优异的光热转化性能，该纳米机器人在温和光照下即可实现在复杂生物介质中的高效驱动。结合α-淀粉酶的酶解作用，它们能够深入渗透到生物膜内部。同时，借助表面修饰的过氧化氢酶，可将生物膜内部的H2 O2 分解为O2 ，有效缓解乏氧，显著增强PDT效果，从而实现高效杀菌和降解生物膜基质。此外，该纳米机器人能够快速内化进入巨噬细胞中，并调节其表型，增强巨噬细胞的病原体吞噬能力和组织修复能力的双重功能。这些协同作用使该纳米机器人在生物膜感染的小鼠伤口模型中显著提升治疗效果。

图1.温和光热驱动Ce6-ACPBNRs用于抗生物膜感染治疗的示意图

如图1 所示，Ce6-ACPBNRs的制备过程主要包括两个步骤：首先利用聚丙烯酸球形纳米颗粒作为模板，制备碗状聚多巴胺纳米颗粒；然后分别利用席夫碱反应和酰胺反应，将α-淀粉酶、过氧化氢酶和光敏剂依次修饰到聚多巴胺纳米颗粒表面，制备得到Ce6-ACPBNRs。如图2 所示，制备得到的纳米机器人具有碗状结构，平均粒径为1 31.2 ± 12.3 nm，平均开口直径为71.7 ± 6.8 nm。在近红外光照射下，该纳米机器人表现出良好的光热驱动性能，能够在不同生物介质中维持高效驱动。

图2 . Ce6-ACPBNRs的制备与表征

如图3 所示，Ce6-ACPBNRs能够有效渗透进入耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）生物膜内部，并利用表面修饰的过氧化氢酶缓解生物膜内部乏氧环境，显著提升PDT效果，从而增强其杀菌和消除生物膜基质的能力。

图3 . Ce6-ACPBNRs在体外模型中对生物膜的渗透和清除能力

如图4 所示，Ce6-ACPBNRs具有良好的微环境调节能力。自主运动纳米机器人快速进入巨噬细胞内部，并清除巨噬细胞内过量的过氧化。在光照条件下，纳米机器人能够促进巨噬细胞分泌促炎因子，提高其病原体吞噬能力；当光照停止后，它们可以通过促使巨噬细胞由M1向M2表型进行转变，从而增加抗炎因子分泌，消除炎症，避免潜在免疫损伤。

图4 . Ce6-ACPBNRs对巨噬细胞表型调控性能

如图5 所示，Ce6-ACPBNRs能够增强生物膜感染小鼠背部伤口愈合效果。通过消除伤口部位生物膜、减少细菌负载，经过Ce6-ACPBNRs治疗的小鼠伤口迅速愈合，其愈合率提高了39%。

图5 . Ce6-ACPBNRs的体内生物膜感染伤口治疗能力

如图6 所示，组织病理学分析显示经Ce6-ACPBNRs治疗后，伤口部位炎症情况明显减轻，促炎因子（TNF-α、IL-6）减少，抗炎因子（IL-10）增多，且伤口部位胶原蛋白沉积增多，伤口整体愈合情况良好。

图6 .伤口的组织病理学分析

如图7 所示，Ce6-ACPBNRs具有良好的生物相容性。与对照组相比，血液生化指标、血常规、器官等指标没有发生明显变化。

图7 .Ce6-ACPBNRs的生物相容性

相关研究成果近日以“Mild photothermal-driven nanorobots for infected wound healing through effective photodynamic therapy and wound microenvironment remodeling”为题发表在Chemical Engineering Journal上。武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室官建国教授、罗明副研究员、华中农业大学宋智勇副教授为本文的共同通讯作者，武汉理工大学材料与科学工程国际化示范学院硕士研究生郝晓蒙和华中农业大学化学学院硕士研究生吴津梅为本文的共同第一作者。武汉理工大学材料科学与工程学院硕士研究生翟祥翔和华中农业大学化学学院硕士研究生刘艺为论文做出了重要贡献。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和科技部重点领域创新团队项目等的支持。

作者简介

官建国，武汉理工大学材料学科首席教授、材料复合新技术国家重点实验室副主任、武汉光化学技术研究院副院长，科技部重点领域“极端环境服役功能复合材料”创新团队负责人。主持承担国家重点研发计划和863计划等国家级重要科研项目20 余项；在Natl. Sci. Rev.、Sci. Adv.、Nat. Commun.等期刊发表高水平论文300余篇，获授权发明专利76项。兼任中国光学工程学会常务理事和中国微米纳米技术学会常务理事、国际创新与转化医学会委员和多个国际学术期刊编委。国家“万人计划”科技领军人才、教育部“长江学者”特聘教授、新世纪百千万人才工程国家级人选，获高等教育国家级教学成果奖二等奖，国家专利优秀奖、军队科技进步一等奖、湖北省技术发明一等奖、教育部自然科学二等奖等。

罗明，武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室副研究员，中国微纳米技术协会微纳米机器人分会理事。2016年6月毕业于武汉大学化学与分子科学学院，并获博士学位。2013年9 月至2015年9 月在美国佐治亚理工学院生物医药工程系联合培养。2016年7 月起先后任武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室助理研究员、副研究员。主要从事微纳米机器人的构筑及其在生物医药领域的应用研究。主持和参与国家级或省部级项目10 余项。目前已在Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Appl. Phys. Rev.和Biosens. Bioelectron.等国际著名学术期刊上发表论文60 余篇，目前引用次数4 000余次，申请和授权发明专利1 4 项。

宋智勇，博士毕业于浙江大学，2016年加入华中农业大学化学学院，担任副教授，硕士研究生导师。以通讯（含并列）或一作（含并列）在Nat. Commun.,Adv. Funct. Mater., Coordin. Chem. Rev., Adv. Drug Deliver. Rev.,Biomaterials和Chem.Eng. J等国际学术期刊上发表论文20 余篇，申请和授权中国发明专利10 项，目前担任Biomedical Engineering Communications、BMC Biomedical Engineering 编委；Asian Journal of Pharmaceutical Sciences、Burns & Trauma、iMeta、Exploration、VIEW、Nano TransMed、Acta Materia Medica、华中农业大学学报等期刊青年编委；功能材料与器件委员会委员，中国微米纳米技术学会高级会员。