金属材料强度国家重点实验室在细菌铁死亡、铜死亡研究中取得新进展

铁、铜是所有生物体必需的微量元素，是诸多生物过程的基础元素。研究发现铁、铜的胞内富集可引发肿瘤细胞铁死亡或铜死亡，在抑制癌症发展中起到关键作用。铁死亡是由于胞内铁过载、活性氧依赖的脂质过氧化物累积及谷胱甘肽耗竭引起的肿瘤细胞死亡；铜死亡是通过铜与三羧酸循环的脂化组分直接结合，引发脂酰化蛋白聚集、铁硫蛋白损失及蛋白毒性应激导致的肿瘤细胞死亡。铁、铜离子具有剂量依赖的抗菌活性和细胞毒性，那么生物安全剂量下的铁、铜离子是否能诱导细菌发生铁死亡或铜死亡，微环境刺激（如pH改变、光热刺激等）能否促进细菌对离子的摄入，加速细菌发生铁死亡、铜死亡尚未可知。

针对上述问题，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室的研究人员在钛种植体表面制备了铁掺杂的硅酸钛钙“纳米剑”，在聚醚醚酮（PEEK）表面制备了铜掺杂的羟基磷灰石“纳米棒”。研究表明，“纳米剑”的降解引起局部pH值升高，削弱了金黄色葡萄球菌的质子动力，减少了细菌ATP的合成，降低了细菌膜模量，细菌胞膜在“纳米剑”作用下发生扭曲甚至被刺穿，导致胞内物质泄漏。同时，由于细菌膜通透性增加，细菌摄入了过多的铁离子，出现胞内铁富集、脂质过氧化和谷胱甘肽耗竭等铁死亡现象。重要的是，由于细菌、细胞对微环境响应存在差异性，“纳米剑”在有效清除种植体表面入侵细菌的同时，改善了成骨细胞响应及骨整合，在临床感染种植体的治疗中具有广阔的应用前景。相关成果以“Alkaline Nanoswords Coordinate Ferroptosis-like Bacterial Death for Antibiosis and Osseointegration”为题发表在ACS Nano杂志上。

图1.钛种植体表面铁掺杂硅酸钛钙“纳米剑”的制备流程图及其抗菌与骨整合

图2.（a）“纳米剑”的SEM形貌和（b）TEM形貌；试样表面培养1天后金黄色葡萄球菌的（c）ATP合成量，（d）胞膜通透性，（e）与铁死亡相关的差异基因表达，和（f）形貌；（g）MTT法检测试样表面培养1、3、7天的成骨细胞活力；（h）试样表面培养7、14天后成骨细胞ALP、RUNX2、OPN、OCN、Col-1和BMP2的表达;（i）试样植入大鼠松质骨内6周后Micro-CT图像及VG染色结果。*: p < 0.05和**: p < 0.01与Ti相比；#: p < 0.05和##: p < 0.01与MA相比。

针对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）对多种抗生素具有耐药性，严重威胁人类健康这个问题，研究人员探究了近红外照射下铜掺杂羟基磷灰石“纳米棒”的抗感染，提高组织整合的性能。研究表明，温和的光热刺激增加了细菌膜的通透性，加速了铜离子的摄入，导致了细菌的二氢脂酰胺s-乙酰转铁酶聚集、谷胱甘肽过氧化物4失活以及铁氧还蛋白和脂酰合成酶的不稳定等，引发了包括MRSA、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在内的细菌发生铜死亡。在近红外照射下，成纤维细胞响应有所上调，种植体表面软组织整合有所改善，这种多功能涂层复合光热的治疗策略在提高PEEK临床性能方面具有很大的应用前景。相关成果以“Low-Dose Cu Ions Assisted by Mild Thermal Stimulus Inducing Bacterial Cuproptosis-Like Death for Antibiosis and Biointegration”为题发表在Advanced Functional Materials杂志上。

图3.聚醚醚酮表面铜掺杂羟基磷灰石“纳米棒”的制备及其抗菌与软组织整合

图4.（a）“纳米棒”的SEM形貌；（b）试样的光热响应；试样表面培养1天后耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的（c）抗菌率，（d）胞膜通透性，（e）与铜死亡相关的差异基因表达，（f）与铜转运、铜死亡相关的差异基因表达；（g）Alamar Blue法检测试样表面培养1、3、7天的成纤维细胞活力；（h）试样表面培养7天后成纤维细胞CTGF、α-SMA和Col-1的表达;（i）试样植入大鼠皮下7天后H&E和Masson’s trichrome staining图像。*: p < 0.05和**: p < 0.01与P相比；#: p < 0.05和##: p < 0.01与PC相比。

西安交通大学张兰教授和憨勇教授为论文的共同通讯作者，西安交通大学博士薛阳为论文的第一作者。该研究得到了国家自然科学基金委面上项目、陕西省杰出青年基金、陕西省自然科学基础研究计划项目重点基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c10960

https://doi.org/10.1002/adfm.202308197