糖尿病患者骨缺损的修复由于其骨免疫稳态的紊乱和暴露的伤口易受细菌感染，一直是生物医学领域的一个重大挑战。在临床上，通过清除过多的活性氧(ROS)进行免疫调节，可有效促进糖尿病骨缺损的修复。然而，侵略性的ROS清除会破坏ROS稳态，使得糖尿病组织愈合过程中ROS介导的M2巨噬细胞极化变得困难。华中大陈莉莉/&北大邓旭亮/郭少军报道了一种具有高氧空位的超薄缺陷氧化钨(WOx)纳米带，可同时实现适度清除活性氧和高广谱光热抗菌活性，促进糖尿病骨缺损修复。研究表明，WOx纳米带的适度ROS清除能力可以重塑代谢模式，在高糖微环境下实现86.3%的M2巨噬细胞诱导。这种高诱导效率结合优异的光热抗菌能力，WOx纳米带明显减轻了C57BLKS/J (BKS)-糖尿病(BKS-db)小鼠的炎症反应，有效促进了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染的骨缺损的修复。该研究以题为“Green-Prepared Magnesium Silicate Sprays Enhance the Repair of Burn-Skin Wound and Appendages Regeneration in Rats and Minipigs”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。该研究报道了一类新的超薄氧化钨(WOx)纳米带，具有高氧空位，实现适度的细胞内ROS清除和有效的光热抗菌活性，以促进糖尿病骨缺损修复(方案1)。该研究证明，在高糖环境下，由WOx纳米带调节的适当水平的细胞内ROS甚至可以达到86.3%的M2巨噬细胞诱导效率骨髓源性巨噬细胞(BMDMs)。高M2巨噬细胞诱导效率显著促进骨髓间充质干细胞(BMSCs)的成骨分化。结果表明，具有高效M2巨噬细胞诱导和抗菌能力的WOx纳米带改善了BKS-db小鼠(瘦素受体缺陷型糖尿病小鼠)耐甲氧西林葡萄球菌感染下颌骨缺损的局部炎症反应，促进了其修复。【WOx纳米带的形貌、结构、光吸收和ROS裂解的表征】采用一种新的湿化学方法合成了WOx纳米带。在一个典型的合成中，将W(CO)6、抗坏血酸和油胺(OAm)按一定比例的混合物加入一个玻璃小瓶中，然后在250°C的油浴中加热5小时，得到WOx纳米带胶体溶液。其中，W(CO)6不仅作为金属前驱体，而且作为层状形貌的结构导向剂。制备的WOx纳米带对各种活性氧具有良好的清除能力。图 1. WOx纳米带的形貌、结构、光吸收和ROS裂解的表征为了证实WOx纳米带清除糖尿病微环境中细胞内过量ROS的能力，该研究使用2,7二氯二氢荧光素检测WOx纳米带培养的BMDMs中ROS的含量。结果显示，随着WOx纳米带浓度的增加，BMDMs中检测到的荧光强度和表达量下降。流式细胞术证实了这一点，其中ROS清除率随着BMDMs中WOx纳米带浓度的增加而增加。WOx纳米带也被证实可以显著去除骨髓间充质干细胞中多余的ROS。进一步检测WOx纳米带的SOD和CAT样酶催化活性。SOD和CAT是细胞内有效处理氧化应激的关键抗氧化金属酶。结果表明，在高糖环境下，WOx纳米带可以通过模拟SOD和CAT活性，有效去除细胞内的中度ROS。【在模拟DM的微环境中，WOx纳米带诱导M2巨噬细胞极化并促进成骨】为了探讨WOx纳米带在高糖环境下对巨噬细胞极化调节中的ROS清除特性，该研究选择CD206 (M2巨噬细胞的生物标志物)和CD86 (M1巨噬细胞的生物标志物)，采用流式细胞术评估BMDMs的M1/M2巨噬细胞表型。结果表明，WOx纳米带对M2巨噬细胞的诱导率在传统微分子抗氧化剂和用于DM的清除ROS的金属氧化物纳米酶中是最高的。这支持了适当清除ROS调控ROS稳态有利于促进M2巨噬细胞极化的观点。为了探讨适度清除ROS的WOx纳米带诱导M2巨噬细胞极化的机制，该研究对与WOx纳米带孵育48 h后的BMDMs进行转录组学分析。结果进一步证实了WOx纳米带在高糖环境下通过调节上述信号通路诱导M2巨噬细胞的极化。考虑到细胞代谢模式在巨噬细胞极化中的重要作用，进一步应用代谢组学和转录组学的联合分析。结果表明，具有中等ROS清除能力的WOx纳米带可以重塑代谢模式，有效促进高糖环境下M2巨噬细胞极化。在骨修复早期，M2巨噬细胞通过产生促再生细胞因子促进骨髓间充质干细胞的成骨分化。因此，该研究建立了一个间接共培养系统，以探索WOx纳米带培养BMDMs的条件培养基对BMSCs的影响。结果表明，WOx纳米带可以通过有效诱导M2巨噬细胞极化，显著逆转高糖环境下BMSCs的成骨分化抑制。图3.在模拟DM的微环境中，WOx纳米带诱导M2巨噬细胞极化并促进成骨【WOx纳米带对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的体外光热抗菌作用】该研究在808 nm近红外激光下全面研究了WOx纳米带的光热性质，并用热像仪记录了WOx纳米带的光热性质。近红外照射600 s时，随着WOx纳米带浓度和激光功率的增加，WOx纳米带溶液的温度显著升高。在5次开/关循环中，WOx纳米带光热性能的退化可以忽略不计，根据WOx纳米带在自然冷却过程中的线性时间数据计算出其光热转换效率为44.6%，表现出优异的光热可逆性和稳定性。为了进一步探索WOx纳米带在近红外下的抗菌活性，该研究对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和大肠杆菌进行了菌落形成实验。在WOx+NIR组中，大多数耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的形态出现不规则甚至开裂。细菌对氧化钨纳米带的强烈粘附产生了破坏细菌膜完整性的接触杀死效应。同时，WOx纳米带的光热特性产生物理杀伤，破坏细菌膜的结构，增强抗菌效果。在不同浓度的WOx纳米带孵育和不同温度的近红外照射下，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的菌落形成单位(CFU)测定进一步证实了WOx纳米带与光热特性的协同作用，从而实现了高效的抗菌活性。图4. WOx纳米带对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的体外光热抗菌作用【WOx纳米带修复耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染性糖尿病小鼠下颌骨缺损】该研究进一步进行显微计算机断层扫描(CT)分析，显示术后7天和14天三维重建的小梁骨的生动细节。相对于对照组，新骨形成在WOx (NIR+)组占主导地位。通过量化骨量/总积(BV/TV)和骨矿物质密度(BMD)也证实了这种效果。此外，HE染色显示，WOx (NIR+)组形成最明显的皮质骨，而NC组在骨缺损部位几乎没有新骨形成。同样，通过Masson染色，WOx (NIR+)组的骨缺损部位几乎完全被染成红色，表明骨成熟度在所有组中最高。TRAP免疫组化结果显示，WOx组的破骨细胞粉红色染色明显较浅，提示其未诱导BMDMs的破骨细胞分化。此外，双氢乙啶结果证明，WOx组在缺陷部位的ROS含量明显低于NC组，这表明WOx纳米带在糖尿病骨缺陷部位保持适度的ROS清除能力。CD206深棕色染色和Arg-1在WOx组的缺陷部位证实，WOx纳米带通过适当去除糖尿病骨缺损部位的ROS，更有效地诱导M2巨噬细胞极化。上述结果表明，WOx纳米带可以减轻炎症反应，改善耐甲氧西林细菌感染，从而显著促进BKS-db小鼠骨缺损的修复。图5. WOx纳米带修复耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染性糖尿病小鼠下颌骨缺损该研究报道了一种新型超薄WOx纳米带，该纳米带对多种活性氧具有中等的去除能力，在近红外下显著诱导M2巨噬细胞并具有有效的抗菌性能，可用于糖尿病骨缺损的有效联合治疗。该研究发现，与传统的分子抗氧化剂和用于DM的清除ROS的金属氧化物纳米酶相比，WOx纳米带可以达到最高的M2巨噬细胞诱导率(86.3%)。这种非常高的诱导率归因于WOx纳米带通过适度清除ROS显著增强巨噬细胞氧化磷酸化水平。与传统的联合治疗相比，单个WOx纳米带具有多种特性，在控制糖尿病患者的免疫稳态紊乱和细菌感染方面具有独特的优势。结果表明，WOx纳米带可显著促进了感染金黄色葡萄球菌BKS-db小鼠的下颌骨缺损的修复。WOx纳米带为组织再生的联合治疗开辟了新的途径，在糖尿病性骨缺损的临床治疗中显示出良好的发展潜力。「BioMed科技」关注生物医药×化学材料交叉前沿研究进展！交流、合作，请添加杨主编微信！
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原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202306319
来源：BioMed科技
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