纳米酶在骨感染治疗中的应用进展

本文综述纳米酶在骨感染治疗方面的作用，涵盖抗菌、促骨再生、诊断等多领域进展。

　　

在生命科学和健康医学领域，骨感染是一个棘手的难题，像假体周围感染、骨髓炎等骨感染疾病，临床治疗难度极大。传统治疗手段常因细菌耐药性问题，导致抗感染效果不佳。不过，纳米酶（Nanozymes）的出现为骨感染治疗带来了新希望。纳米酶是一类具有类似天然酶催化功能的纳米材料，凭借独特的物理化学性质和可调节的催化活性，在生物医学领域尤其是骨感染治疗方面展现出巨大潜力。

骨感染的难题与纳米酶的优势

骨感染难以治疗，关键在于病原体形成的保护性生物膜，以及它们对传统抗生素的耐药性。感染时，组织内活性氧物质（ROS）会病理性升高，不受控制的 ROS 积累使过氧化氢（H?O?）浓度飙升至 100 - 1,000 μM，同时产生大量超氧阴离子（O???）和羟基自由基（?OH）。这种失控的氧化应激通过双重机制破坏骨愈合：一方面，它直接通过脂质过氧化和蛋白质修饰损害组织完整性；另一方面，它干扰骨重塑平衡，抑制成骨细胞的同时激活破骨细胞。而且，有害 ROS 在感染组织中随机广泛分布，不仅损害免疫功能，还阻碍组织再生。因此，精准、局部调节 ROS 水平的策略至关重要。

纳米酶的出现带来了新方法。纳米酶通常是基于金属的纳米材料，具有模拟酶的特性，能发挥过氧化物酶、过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）等功能。这些特性使其既能直接对抗病原体，又能调节局部微环境，助力软组织恢复和骨再生。骨组织独特的结构和生理特征，让纳米酶在治疗骨感染方面更具前景。相较于软组织对常规抗菌疗法的良好响应，骨组织致密的矿化基质、有限的血管系统，以及骨髓炎期间形成的酸性微环境（pH 5.5 - 6.5），给传统药物递送系统带来重重阻碍。而纳米酶凭借优化设计的尺寸（10 - 100 nm），能有效穿透骨组织，在酸性条件下催化活性增强，还具备杀菌和促进成骨再生的双重功能，同时针对骨愈合过程中的感染和修复问题发挥作用。

纳米酶的抗菌机制

纳米酶主要通过模拟天然酶的活性，催化特定反应产生杀菌物质来发挥抗菌作用，比如生成 ROS 或次氯酸（HClO）。这些物质能有效干扰细菌细胞结构和代谢功能，对多药耐药（MDR）菌株也有很好的杀灭效果。纳米酶的抗菌效果取决于催化反应的两个关键特征：模拟酶活性和 ROS 生成能力。其催化活性受条件影响很大，以 Fe?O?纳米颗粒为例，在 pH 3.5 - 4.0、37 °C 时，过氧化物酶样活性最佳，对 H?O?的米氏常数（Km）为 3.84 mM，对 TMB 底物的 Km 为 0.098 mM，在 H?O?浓度为 0.1 - 1 mM 时，细菌杀灭率超 99%；但在生理 pH 7.4 时，活性下降约 60%，需要更高浓度的 H?O?（>5 mM）才能有效抗菌。

有些纳米酶具有类似天然过氧化物酶（如辣根过氧化物酶 HRP）的活性，能在生理条件下催化 H?O?分解产生 ROS。这些 ROS，像羟基自由基（?OH）、单线态氧（1O?）和超氧阴离子（O???），具有强大的氧化能力，可降解细菌细胞膜、DNA、蛋白质等细胞成分，最终导致细菌死亡。比如 Fe?O?纳米颗粒在低浓度 H?O?存在时，展现出过氧化物酶样活性，生成?OH 杀死细菌；锰氧化物（MnO?）纳米颗粒则能通过调节不同氧化态（Mn2?/Mn??），在 H?O?存在时催化产生 ROS。此外，纳米酶还能模拟天然生成 HClO 的酶的活性，将氯离子转化为 HClO，HClO 凭借强氧化性迅速破坏细菌细胞壁，诱导细菌死亡。

纳米酶对细菌生物膜的作用

纳米酶通过产生 ROS 或 HClO，实现广谱抗菌，对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）、革兰氏阴性菌（如大肠杆菌），甚至 MDR 菌株都有抗菌活性。MDR 细菌的细胞壁结构常阻碍抗生素渗透，而纳米酶能绕过这些抗生素靶点，通过诱导非选择性氧化应激机制对抗细菌，有效根除耐药菌株。化学产生的 ROS 或 HClO 对细菌细胞结构的非特异性破坏，让细菌难以通过基因突变产生耐药性。而且，ROS 的快速产生及其强大的氧化作用，会对细菌细胞造成多种损伤，加速细菌死亡，进一步降低耐药性产生的可能性。不过，纳米酶在抗菌应用中也面临挑战，其在体内的稳定性、毒性和生物相容性还需进一步研究。特别是纳米酶的 SOD 和 CAT 样活性在骨感染治疗中需谨慎考虑，这些抗氧化活性可能降低 ROS 水平，影响抗菌效果。所以，设计用于骨感染治疗的纳米酶时，应优先增强其过氧化物酶样活性，在愈合阶段再限制抗氧化功能。

细菌生物膜是细菌在感染部位分泌的由多糖、蛋白质和核酸组成的结构保护屏障，在慢性骨感染中普遍存在。它不仅能保护细菌免受抗生素和宿主免疫反应的攻击，还会促进细菌耐药性的产生，使治疗更加困难。部分纳米酶具有尖锐边缘，如真正的脊柱状阵列结构，它们不仅能通过化学反应破坏生物膜，还能从物理层面削弱生物膜的稳定性。这些纳米颗粒较大的表面积和纳米级组成，使其能够穿透生物膜，直接破坏其物理结构，从而抑制细菌黏附。

纳米酶与传统抗生素的联合应用

纳米酶与传统抗生素联合应用是骨感染治疗的重要研究方向。二者结合能显著增强抗菌效果，提高治疗有效性。纳米酶的抗菌特性与传统抗生素的治疗机制协同作用，纳米酶可破坏细菌逃避治疗的机制，如生物膜形成和信号通路干扰，从而减轻细菌耐药性，增强抗生素疗效。有些纳米酶还能影响细菌群体感应机制，降低细菌对抗生素的耐药性，提升传统疗法的效果。而且，纳米酶可调节细胞膜通透性，促进抗生素在细胞内的积累，使抗生素更高效地进入细菌细胞，增强抗菌作用。联合使用纳米酶和传统抗生素，还能减少抗生素的使用剂量，降低对正常细菌种群的影响，减轻耐药菌株产生的选择压力。不同类型的纳米酶和抗生素结合的多靶点治疗策略，为骨感染治疗开辟了新途径，提高了治疗成功率。

智能响应纳米酶

智能响应纳米酶是一类能根据微环境特定刺激动态调整催化活性的纳米材料。这些刺激包括 pH 值变化、H?O?浓度改变、温度变化，以及光、声、热、电等外部刺激。智能响应纳米酶能在感染部位独特的病理条件下实现靶向激活，在感染部位抗菌活性增强，在健康组织中保持低活性，从而减少副作用。这种智能响应设计使纳米酶的使用更具特异性和安全性，尤其适用于复杂感染的治疗。

智能响应纳米酶的核心在于其结构设计，使其能对特定环境触发因素做出反应，改变催化能力。这些反应通常与病理环境和健康组织之间的差异有关，比如酸性条件和升高的 H?O?浓度。例如，Su 等人设计了一种生物膜微环境响应的双层金属 - 有机框架生物纳米催化剂（MIL - 100 - ABTS）@(CuBTC - GOx)。当该生物纳米催化剂到达酸性生物膜微环境时，外层的 CuBTC 会降解，释放葡萄糖氧化酶（GOx），GOx 催化葡萄糖转化为 H?O?和葡萄糖酸，进一步酸化生物膜微环境，加速 CuBTC 的降解和 GOx/ABTS 的释放。在自供 H?O?存在的情况下，模拟 HRP 的 MIL - 100 通过 ABTS 氧化激活光热效应。近红外激光照射时，产生的热量可通过破坏细胞外 DNA 使致密的生物膜松动，打开生物膜的孔隙通道，降低其对?OH 的抵抗。降解的 CuBTC 释放的铜离子会消耗谷胱甘肽，并催化额外的 H?O?分解为?OH，杀死生物膜内层的固着细菌。

此外，感染和炎症反应常导致局部温度升高，也能触发纳米酶激活。外部刺激如近红外光和超声可诱导纳米酶产生 ROS。Bai 等人开发的铜单原子纳米酶系统（CuNx - CNS），具有出色的多酶活性和近红外二区（NIR - II）响应性，特别适合治疗深部组织感染。该系统中，原子分散的铜位点锚定在超薄二维多孔氮掺杂碳纳米片上，氮配位数量（x = 2 或 4）可调。这种纳米酶系统具有过氧化物酶、CAT 和氧化酶三重酶样活性，可通过多种途径高效生成 ROS。研究发现，将氮配位数量从 2 增加到 4，由于电子结构优化，多酶活性增强。该系统在近红外二区的强吸收使其能实现更深的组织穿透，促进深部组织中 ROS 的生成和光热治疗，对浅表和深部植入物相关感染中的 MDR 细菌和顽固生物膜都有很好的治疗效果。不同细菌种类具有特定的微环境特征和代谢产物，也可作为纳米酶催化反应的触发源。通过这些智能响应机制，纳米酶有望推动靶向治疗策略的发展，提高感染治疗效果，同时减少对周围健康组织的不良影响。

纳米酶促进骨再生

促进骨再生是纳米酶在骨感染治疗中的重要潜在应用方向。除了抗菌特性，纳米酶还能通过调节体内氧化应激，促进成骨细胞增殖和分化，助力骨组织的修复和再生。骨感染和损伤常伴随炎症反应和氧化应激增强，调节这种微环境对促进骨再生至关重要。骨修复和再生涉及复杂的细胞行为和微环境调节，需要成骨细胞（负责骨形成）、破骨细胞（参与骨吸收）和间充质细胞的协同作用。在骨感染或骨缺损的愈合过程中，过量的 ROS 会加剧组织损伤，抑制成骨细胞的增殖和分化，阻碍骨组织修复。因此，控制 ROS 水平，减轻氧化应激对骨修复微环境的影响至关重要。

某些纳米酶能模拟天然 SOD 的功能，将 O???转化为 H?O?和氧气（O?），减轻氧化应激的破坏作用，保护成骨细胞。具有 CAT 样活性的纳米酶可进一步将过量的 H?O?转化为 H?O 和 O?，减轻炎症反应，改善骨修复微环境。此外，含有金属离子的纳米酶除了调节氧化应激，还能通过调节细胞信号通路，直接促进成骨细胞的分化和矿化。这些多方面的作用机制，使纳米酶成为促进骨再生的有潜力的物质，最终改善骨感染和损伤的治疗效果。

纳米酶在治疗骨感染时，与骨组织的相互作用具有独特优势。其纳米级尺寸使其能够穿透骨组织的分层结构，包括微孔（10 - 20 μm）和小管（0.1 - 1 μm），在感染部位更好地分布。骨髓炎特有的酸性微环境（pH 5.5 - 6.5），能增强某些纳米酶（如 Fe?O?纳米颗粒）的过氧化物酶样活性，使其在需要的地方发挥更大作用。感染骨组织中升高的 H?O?水平（100 - 1,000 μM）为纳米酶介导的 ROS 生成提供了理想底物。通过双膦酸酯基团对纳米酶进行表面修饰，可使其特异性结合骨组织中的羟基磷灰石，实现靶向和长效治疗效果。这种骨特异性靶向，结合其调节对骨稳态至关重要的核因子 κB 受体活化因子配体（RANKL）/ 核因子 κB 受体活化因子（RANK）/ 骨保护素（OPG）通路的能力，使纳米酶特别适合治疗骨感染。

纳米酶在骨感染诊断中的应用

利用纳米酶进行骨感染诊断是一个有前景的研究领域。纳米酶的模拟酶特性使其能够灵敏、选择性地检测细菌病原体、生物标志物和感染相关副产物。在骨感染诊断方面，传统微生物培养等诊断方法常因病原体生长缓慢和生物膜对细菌的保护作用而受限。纳米酶有望解决这些问题，加快病原体检测速度，提高检测灵敏度。例如，具有过氧化物酶样活性的纳米酶在显色底物存在的情况下，可与 H?O?发生反应，产生明显的颜色变化，以此指示感染的存在。纳米酶与生物传感器的结合，进一步增强了其提供感染状态实时数据的能力，便于及时进行临床干预。这些进展体现了纳米酶在骨感染管理中的诊断和治疗双重潜力。对基于纳米酶的检测方法的进一步研究，可能有助于实现骨感染的早期诊断，减少侵入性采样的需求，并便于监测治疗效果。

长期安全性问题

纳米酶在体内的长期安全性存在一些值得关注的方面。纳米酶的催化特性使其可能在体内长时间保持活性，这就引发了对低水平慢性 ROS 暴露的担忧。基于金属的纳米酶可能会逐渐降解，导致金属离子积累，这些金属离子可能影响骨矿化过程或细胞功能。随着时间推移，纳米酶与骨细胞外基质的相互作用也需要仔细评估，因为纳米酶在体内长期停留时，其表面性质的变化可能会改变其活性或分布。

展望

个性化治疗在骨感染管理中越来越重要，尤其是结合现代精准医学技术，能够开发定制化的治疗策略。通过识别特定生物标志物和利用基因编辑技术，可以设计出针对不同类型和严重程度骨感染的纳米酶，提高治疗的有效性和安全性。随着对个体差异认识的加深，精准医学强调在治疗中考虑患者的遗传背景、病理特征和环境因素。在骨感染治疗中，这种个性化方法能根据感染的性质、病原体类型和患者整体健康状况优化治疗策略。

个性化治疗并非局限于固定方案，还可利用实时监测技术根据治疗效果动态调整。通过持续监测感染变化，临床医生能根据患者反应及时调整纳米酶的剂量和释放时间，实现定制化治疗效果。此外，将生物传感器技术与智能纳米酶平台相结合的智能释放系统，可实时监测细胞内 ROS 水平、pH 值或特定生物标志物浓度。这些系统能根据监测指标自动调整纳米酶的释放和活性，在感染管理中实现精准治疗。这种创新方法有望彻底改变骨感染的治疗格局，为每位患者提供更有效、更个性化的医疗服务。未来的研究应致力于阐明纳米酶的作用机制，验证其临床实用性，推动这一新兴领域不断向前发展。