多功能稀土上转换纳米诊疗剂用于极早期PJI靶向定位和光控治疗的实验研究

How to proactively target periprosthetic joint infection (PJI) sites in the very early stage, and how to effectively perform antibacterial activity locally have become two significant challenges that should be overcome in the future non-invasive treatment of PJI. In response to these two key issues, we intend to design a nanostructure by loading nitric oxide (NO) donors and vancomycin molecules on the surface of upconversion nanoparticles (UCNPs) core/polydopamine shell nanocomposite, and a near-infrared light-responsive active-targeting nanotheranostic system will be finally synthesized in this project. On one hand, vancomycin can actively target Gram-positive bacteria at the PJI sites and a high concentration of nanotheranostic agents is formed locally. Subsequently, by using the UCL/MRI/CT multimodal imaging of UCNPs, we can accurately diagnose PJI and dynamically monitor the therapeutic effect of nanomaterials. On the other hand, near-infrared light can be converted to ultraviolet-visible light with the aid of UCNPs, and then trigger nanotheranostic agents to generate heat and NO gas. Besides, heat also accelerates the release of NO. Thus, we achieve the efficient photothermal/gas co-treatment of the very early PJI. This project will provide a new idea and method for conquering PJI clinically and be expected to promote the further development of nano-biomedicine.

如何在极早期主动靶向假体周围关节感染（PJI）部位同时在局部进行高效抗菌已经成为未来无创条件下治愈PJI所要解决的两大难题。针对这两大关键问题，本项目拟设计一种以掺杂稀土元素的上转换发光纳米颗粒（UCNPs）为内核、外层包被聚多巴胺的纳米复合结构，然后在其表面装载一氧化氮（NO）供体和万古霉素靶向分子，最终合成一种近红外光响应型主动靶向纳米诊疗剂。一方面，万古霉素可以主动靶向感染部位的革兰阳性细菌，实现诊疗剂在局部的高效富集；并通过UCNPs的UCL/MRI/CT多模态成像功能，实现影像诊断PJI和动态监测材料的治疗效果。另一方面，UCNPs可以将近红外光转换为紫外光-可见光，用于激发诊疗剂产生热量和NO气体，而且热量也可加速NO释放，从而对极早期PJI实现高效的光致热/气体协同治疗。本项目的开展为临床最终攻克PJI提供了一种崭新的思路和方法，并有望推动纳米生物医学的进一步发展。

针对早期精准诊治假体周围关节感染这一临床难点问题，本项目首先构建了多功能纳米颗粒UCNP@PDA-SNO，实验结果提示在近红外光照射下，NIR+UCNP@PDA-SNO组（1.0mg/ml）对假体周围感染通过光致热/气体双治疗模式实现最佳抗菌效果。而且UCNP@PDA-SNO能够改善巨噬细胞功能，促进其吞菌，这样能更好抵抗生物膜感染。同时UCNP@PDA-SNO可实现UCL/CT/MRI三模式成像，这样能早期诊断假体周围感染。然后，考虑到近红外光穿透深度的局限性，磁场因具有强大的穿透性，可直达宿主的深部骨组织，我们又制备了具有优良磁-热转换效率的核壳结构磁纳米颗粒，明确了体外该磁性颗粒（2.5 mg/mL）在交变磁场作用下能产生温和磁热作用（50℃）使成熟生物膜失去致密结构，加速生物膜提前进入播散期；同步突释的高浓度一氧化氮气体会进一步杀伤膜内细菌，同时也发现磁纳米颗粒能持续促进局部巨噬细胞抗菌，最终高效抵御生物膜相关感染。最后，针对微酸和富含过氧化氢的生物膜微环境以及裂解胞外DNA（eDNA） 破坏生物膜胞外基质可作为攻克生物膜感染的靶点，研究人员合成生物膜微环境响应的双过渡金属纳米立方体材料CuFe5O8 NCs，发现CuFe5O8 NCs在细菌生物膜培养体系中可催化产生大量羟基自由基，其不仅可以直接抗菌，还能降解破坏生物膜内eDNA，从而破坏成熟生物膜和抑制生物膜形成，杀伤作用与 CuFe5O8 NCs剂量呈正相关。此外，CuFe5O8 NCs（6ppm）还能诱导病灶局部巨噬细胞向促炎型分化，增强巨噬细胞的捕获、吞噬和杀菌性能，进而很好清除植入物相关生物膜感染。本研究创新性地提出了热量-气体协同治疗、化学动力学治疗以及巨噬细胞免疫治疗等抗菌新理念，这些治疗模式相比抗生素治疗效率显著提高，而且避免了耐药菌产生。这也为治愈生物膜相关感染的新型纳米材料研发提供了坚实的理论基础，同时展现了其广阔的临床转化前景。