一种基于橙皮苷改良的金属-酚类纳米平台，用于针对生物膜并实现自我放大的光热/化学动力疗法，以治疗皮肤脓肿

《Journal of Controlled Release》：A hesperidin-engineered metal-phenolic nanoplatform for biofilm-targeted and self-amplified photothermal/chemodynamic therapy of skin abscesses

　　

摘要

由于细胞外聚合物基质会阻碍药物进入，且细菌能迅速启动保护性应激机制，因此与生物膜相关的皮肤脓肿一直难以治疗。在此，我们开发了一种由橙皮苷/Fe³⁺构成的金属-酚类纳米平台，并通过苯基硼酸进行功能化处理，形成HF@PBA，用于针对生物膜的光热/化学动力学疗法。橙皮苷不仅作为天然黄酮类配体参与纳米粒子的组装，还能在与Fe³⁺结合后发挥抗生物膜作用，并具备良好的近红外光热响应性。苯基硼酸的修饰增强了纳米粒子对细胞外聚合物基质的黏附力，从而提高其在感染病灶中的滞留和渗透能力。在808纳米光照射下，HF@PBA可产生温和的光热效应，同时释放出的橙皮苷能够抑制与DnaK/HSP70相关的热应力耐受性。在酸性且谷胱甘肽含量高的生物膜微环境中，这些纳米粒子会解离，释放出Fe³⁺，后者会被还原为Fe²⁺，进而生成羟基自由基。此外，橙皮苷还会干扰细菌的群体感应及毒力相关反应。因此，HF@PBA在体外能有效消除浮游细菌和成熟的生物膜，转录组/蛋白质分析也显示热休克及群体感应通路被显著抑制。在鼠源MRSA脓肿模型中，HF@PBA实现了99.7%的细菌清除率，减轻了炎症反应，促进了胶原蛋白再生和血管生成，且几乎不会造成全身毒性。这项研究为治疗持续性生物膜相关皮肤感染提供了一种简单的可生物降解策略。

引言

皮肤脓肿主要由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）引起，是指发生在真皮层及下方软组织中的脓液积聚现象[1]。目前的临床治疗方法主要是切开引流，常常联合使用全身抗生素[2]。然而，这种侵入性治疗方式不可避免地会造成开放性伤口，增加继发感染或交叉污染的风险。此外，抗生素耐药性的日益严重以及高度耐药的细菌生物膜的存在，使得脓肿治疗面临越来越大的挑战。生物膜是由密集的细胞外聚合物物质（EPS）基质包裹的结构性微生物群落，它能保护细菌免受宿主免疫系统的清除，同时极大限制抗生素的渗透[3]。与浮游细菌相比，嵌入生物膜中的细菌对抗菌剂的耐受性可高出1000倍，而且大约80%的慢性感染都与生物膜有关[4]。因此，迫切需要能够有效清除耐药生物膜的微创治疗策略。

生物膜微环境还会带来其他治疗障碍，尤其是由于氧气扩散与细菌消耗之间的失衡所导致的缺氧状况[5]。这一特点会显著影响依赖氧气的疗法，如光动力疗法。相比之下，化学动力学疗法（CDT）则不需要氧气，它通过将体内原有的H₂O₂转化为高活性的羟基自由基（•OH）来发挥作用[6]。不过，CDT的效果往往受到其在生物膜中积累不足以及对感染组织选择性不强的限制。光热疗法（PTT）则是一种颇具前景的抗菌方法，它利用光热剂将光能转化为局部热量，从而破坏细菌膜结构并使重要生物大分子变性，且引发耐药性的风险相对较低[7]。然而，要彻底清除成熟的生物膜，通常需要超过50℃的温度，这一温度远高于周围正常组织的安全阈值（<45℃），因此可能会造成附带损伤[8]。

为了解决这一问题，人们开发了靶向型的温和光热疗法，旨在在最大限度减少对健康组织损伤的同时提升杀菌效果。值得注意的是，在激光照射下，纳米粒子与细菌接触处的局部温度可能远远高于周围介质中的整体温度[7]。因此，如果用能够靶向细菌或生物膜的配体对光热剂进行功能化处理，那么这些纳米粒子就能吸附在细菌表面或EPS基质中，即使在相对较低的表观温度下也能发挥强大的抗菌作用[9]。在各类靶向配体中，硼酸类配体尤其值得关注，因为它们能够与细菌细胞壁中的双酚结构以及其他富含碳水化合物的EPS成分结合，从而增强细菌的黏附性、在生物膜中的滞留能力以及局部聚集程度[10]、[11]。不过，仅靠温和光热疗法往往仍不足以消除坚固的生物膜，这是因为细菌可以激活热休克蛋白（HSPs）及其他应激适应途径，从而获得耐热性[12]。除了热效应方面的局限性之外，许多光热剂的实际应用潜力还受到其生物降解性较差以及容易在代谢器官中积累的问题的制约，这引发了人们对长期毒性的担忧[13]。正是这些局限性促使人们开始探索可生物降解的替代材料。金属-酚类网络（MPNs）是通过金属离子与多酚类物质结合而形成的超分子材料，由于其合成简单、生物相容性优异且具有天然的抗菌性能，因而极具应用前景[14]。具体而言，由多酚类物质和Fe³⁺自组装而成的MPNs不仅可以作为有效的光热剂，还能在脓肿和生物膜典型的酸性微环境中发生可调控的解离反应[15]。在各类候选的酚类配体中，橙皮苷尤其具有吸引力，因为它是一种天然黄酮糖苷，已被证实具有抗生物膜活性。橙皮苷可通过转录抑制关键的毒力调控因子，如和，同时干扰对细菌通讯和生物膜维持至关重要的群体感应（QS）通路，从而有效破坏MRSA生物膜[16]。与那些主要在基于MPN的光热平台上充当结构支撑作用的常见多酚类物质（如单宁酸或没食子酸）不同[17]，橙皮苷还能将抑制HSPs和干扰群体感应的功能直接纳入协调框架之中。不过据我们所知，目前还没有人探索过用于消除生物膜的Fe³⁺/橙皮苷自组装纳米平台。

在此，我们报道了一种可生物降解的纳米平台，该平台具备识别生物膜、实现温和光热消融以及根据微环境变化启动化学动力学作用的能力，可用于治疗耐药性生物膜感染。如图1a所示，HF@PBA纳米粒子是通过Fe³⁺与橙皮苷的配位组装形成的，之后再通过苯基硼酸对其表面进行功能化处理。静脉注射后，苯基硼酸基团会促使纳米粒子优先黏附在EPS中含双酚结构的多糖成分上，从而提高其在感染生物膜病灶中的积累和扩散程度。在808纳米光照射下，Fe³⁺与橙皮苷构成的框架会将光能转化为热量，实现温和的光热效应。与此同时，橙皮苷能够抑制与DnaK/HSP70相关的热应力反应，从而使细菌对温和的升温更加敏感。另外，酸性pH值以及富含谷胱甘肽的生物膜微环境会触发纳米粒子的降解，释放出Fe³⁺，随后这些Fe³⁺会被谷胱甘肽还原为Fe²⁺。生成的Fe²⁺会催化H₂O₂转化为高毒性的羟基自由基，从而实现有效的化学动力学疗法。重要的是，光热疗法产生的热量会进一步加速这一催化过程，形成一个自我强化的“光热增强型化学动力学疗法”循环。此外，释放出的橙皮苷还会持续干扰细菌的群体感应及毒力相关通路，有助于防止生物膜的复发。这种创新的闭环协同系统结合了自我强化的光热/化学动力学疗法与抗毒力作用，为有效消除持续性生物膜相关皮肤脓肿提供了一种极具前景的解决方案。

章节节选

材料

Fe(NO₃)₃·9H₂O、橙皮苷（HD）、羧基苯基硼酸（PBA）、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（EDC）、聚乙二醇（PEG，分子量=2 kDa）、4-二甲氨基吡啶（DMAP）、二环己基碳二亚胺（DCC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、氯化羟铵、1,10-菲咯啉、3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、结晶紫、罗丹明B（RhB）、谷胱甘肽、环丙沙星（CIP）以及4′,6-二氨基-2-苯基吲哚（DAPI）均购自中国上海的Macklin公司。BCA蛋白则

HF@PBA纳米粒子的表征

HF@PBA纳米粒子是通过Fe³⁺与橙皮苷的配位驱动自组装形成的，之后再通过苯基硼酸对表面进行修饰，以提高其对生物膜的靶向能力（见图1a）。如图1a的扫描电镜图像所示，HF纳米粒子与HF@PBA纳米粒子都呈现出较为均匀的球形结构，尺寸约为120纳米。透射电镜观察结果（见图1b）以及元素分布分析均证实了HF@PBA纳米粒子的存在，同时也确认了Fe元素和B元素的共存（见图1c），这表明苯基硼酸的修饰已经成功实现

结论

总之，我们开发了一种可生物降解的金属-酚类纳米平台HF@PBA，用于治疗持续性生物膜相关皮肤脓肿。该平台通过将天然黄酮类物质橙皮苷与Fe³⁺结合在同一个协调框架中，再引入苯基硼酸以实现生物膜靶向，从而能够在感染病灶中实现选择性积累，并根据微环境变化主动激活相应功能。在酸性且富含谷胱甘肽的生物膜环境中，HF@PBA会解体，释放出橙皮苷和Fe³⁺，后者

CRediT作者贡献说明

罗海蒙：撰写——初稿、验证、实验研究、正式分析。冯瑞：验证、方法设计、实验研究。徐冰毅：可视化处理、验证、方法设计、实验研究。李贤燕：方法设计、实验研究、正式分析。李东秋：验证、方法设计。蒋合忠：撰写——审阅与编辑、项目监督、资金申请、概念构思。任晓林：撰写——审阅与编辑、项目监督、概念构思。潘冉：撰写——审阅与编辑，

利益冲突声明

作者们声明不存在任何利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：32501227）、四川省自然科学基金项目（项目编号：2026NSFSC0998、2024YFFK0193、2024YFNH0012）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：2682025ZTPY042）的支持。

罗海蒙|冯瑞|徐冰毅|李贤燕|李东秋|蒋合忠|任晓林|潘冉

中国四川成都610031，西南交通大学生命科学与工程学院