免疫治療新策略！Nat. Commun：無機納米片通過調節免疫共刺激途徑促進針對醫療植入物感染的體液免疫

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01、導讀

醫學植入物已經徹底改變了醫學，但它們正面臨微生物生物膜形成風險的威脅。生物膜內庇護的入侵病原體具有高度耐藥性，會導致持續微生物感染，嚴重影響公共衛生安全。生物膜微環境會使得宿主免疫細胞向抗炎表型極化。近年來，靶向調控宿主免疫防御成為抗菌后抗生物膜策略的前沿研究方向。

在免疫調節策略上，未來感染性免疫治療可能通過誘導靶向中和抗體和對生物膜的持久記憶反應來催化。但在設計典型生物膜清除的適應性免疫調節策略時存在一些障礙：

• 生物膜中的細菌相關抗原（BAA）免疫原性差將導致抗原呈遞不足和隨后的T細胞啟動和激活。
• 通過模擬免疫冷微環境，會形成免疫抑制的生態位，包括抗原呈遞細胞（APC）耗盡、T細胞啟動無效、抗體反應減弱等。
• 感染性生物膜會引起免疫抑制細胞（調節性T細胞）的異常激活，限制了參與生物膜治療活性抗體的數量。

現如今，納米技術應用于免疫治療進步顯著，它具有內在的免疫調節功能、優化的抗原呈遞、持續的免疫反應誘導等優點。目前，含錳(Mn)、硒(Se)或磷(P)的無機納米材料是潛在的免疫刺激候選材料。二維硫代磷酸錳MnPSe₃納米片（MPS NS）材料作為治療植入物感染的無機免疫刺激劑有待進一步驗證。

02、成果掠影

在此，中國科學院上海硅酸鹽研究所林瀚副研究員、施劍林院士團隊聯合上海交通大學附屬第六人民醫院骨科主任醫師張先龍教授進行了抗生物膜感染的研究。研究證明用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）修飾的二維硫代磷酸錳MnPSe₃ （MPS）納米片能夠通過調節感染性微環境（IME）中的抗原呈遞和共刺激分子表達在外科植入物感染的小鼠模型中觸發強的抗菌生物膜體液免疫。從機理上講，PVP修飾的MPS（MPS-PVP）通過產生活性氧化物質破壞生物膜的結構，從而導致抗原暴露，同時改變免疫抑制信號（IL4I1和CD206）和共激活信號（CD40、CD80和CD69）的平衡。這導致擴增的APC啟動和抗原呈遞，導致生物膜特異性體液免疫和記憶反應。該研究證明了術前使用MPS-PVP的新輔助免疫治療可以成功減輕移除受感染植入物后殘留和復發的感染風險，該研究提供了一種替代抗生素治療生物膜感染的方法。

相關研究成果以“Inorganic nanosheets facilitate humoral immunity against medical implant infections by modulating immune co-stimulatory?pathways”為題發表在Nature Communications上。

03、核心創新點

1、研究用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修飾的MPS納米片材料能夠在外科植入物感染的小鼠模型中觸發強大的抗菌生物膜體液免疫。

2、MPS-PVP還能促進細菌特異性的抗體反應，從而防止術后感染復發，該研究提供了一種替代抗生素治療生物膜感染的前沿方法。

04、數據概覽

圖1 免疫刺激性MPS-PVP用于誘導抗生物膜體液免疫和實現術前新輔助免疫治療的示意圖 ? 2022 The Author(s)

圖2 MPS的制備和表征 ? 2022 The Author(s)

（a） MPS合成及其分子結構示意圖；

（b） 塊狀MPS的SEM圖像；

（c） MPS NSs的TEM圖像；

（d） 塊狀MPS和MPS NSs的拉曼光譜；

（e） MPS NSs的元素映射；

（f） MPS NSs的典型AFM圖像；

（g） MPS NSs的厚度分布分析；

（h） MPS NSs的橫向尺寸分布分析；

（i） 不同pH條件下MPS-NSs催化氧化DPBF；

圖3 MPS-PVP利用生物膜作為內源性抗原沉積 ? 2022 The Author(s)

（a） 生物膜的三維共焦顯微照片；

（b） 生物膜生物量的定量分析；

（c） 生物膜的SEM圖像；

（d，f） 提取生物膜上Syto9/PI染色的代表性流式細胞術圖和定量分析；

（e，g） DCFH-DA染色生物膜的流式細胞術分析檢測活性氧；

（h） MPS-PVP增強生物膜抗原表達的示意圖；

圖4 MPS-PVP激活RAW264.7巨噬細胞中的共刺激途徑 ? 2022 The Author(s)

（a） 火山圖顯示了不同組中基因的表達水平；

（b） KEGG富集分析揭示了MPS-PVP調節的前20個具有統計學意義的生物過程；

（c） MPS-PVP處理后巨噬細胞代表性免疫信號通路的基因集富集分析；

（d） 顯示MPS-PVP處理后DEG的熱圖；

（e） 巨噬細胞中與細胞粘附分子相關基因的基因-基因相互作用網絡；

圖5 免疫刺激性MPS-PVP促進RAW264.7巨噬細胞的抗原處理和呈遞 ? 2022 The Author(s)

（a） RAW264.7巨噬細胞的iNOS（綠色）、CD206（紅色）和DAPI（藍色）免疫熒光染色；

（b，c） 流式細胞術分析顯示不同處理后RAW264.7巨噬細胞中CCR7（M1標記）和CD206（M2標記）表達的變化；

（d） 指定處理后RAW264.7巨噬細胞上清液中TNFα、IL1β、IL6和IL12的濃度；

（e） 熒光染色顯示RAW264.7巨噬細胞（紅色）和細菌（綠色）接種后60分鐘的細菌吞噬作用；

（f，g） 具有代表性的流式細胞術圖（f）和定量（g）顯示了RAW264.7巨噬細胞對細菌的吞噬清除率；

（h） 維持巨噬細胞促炎表型的MPS-PVP示意圖；

圖6 免疫刺激性MPS-PVP允許依賴于體液免疫的生物膜控制 ? 2022 The Author(s)

（a） “原位”植入MRSA感染模型的制備和MPS-PVP治療方案；

（b，c） 指示治療后受感染小鼠的個體感染面積生長曲線和代表性照片（b）和平均感染面積增長曲線（c）；

（d，e） 感染小鼠提取的植入物（d）和植入物周圍組織（e）的細菌CFU計數；

（f） 體內生物膜形成的典型SEM圖像；

（g，k）M1表型巨噬細胞（CD80⁺CD206^?）的代表性流式細胞術圖，通過在解剖的IDLNs中對CD11b⁺F4/80⁺細胞（g）、成熟DCs（CD80⁺CD86⁺）和CD11c⁺ MHC-II⁺細胞（h）、CD4⁺ T細胞（CD4⁺）、CD3⁺T細胞（i）、漿母細胞（CD138⁺CD19⁺）和漿細胞（CD138⁺CD19^?) 門控，對CD45⁺細胞（j）和T_regs（Foxp3⁺）、CD3⁺CD4⁺ T細胞（k）后門控；

（l） g–k中相應免疫細胞群的定量分析；

（m） 感染組織中細胞因子的表達譜；

（n） 不同處理的小鼠血清抗體水平；

圖7 術前新輔助免疫治療為預防感染復發提供了長期體液免疫保護 ? 2022 The Author(s)

（a） 預防術后MRSA感染復發的術前新輔助免疫治療示意圖；

（b） 處理后小鼠的個體感染面積生長曲線；

（c） 處理后小鼠的平均感染面積生長曲線；

（d） 術前新輔助免疫治療模型中提取植入物的細菌CFU計數；

（e） 術前新輔助免疫治療模型中植入物周圍組織的細菌CFU計數；

（f） 處理后小鼠的代表性照片；

（g） 感染區域組織HE染色的代表性圖像；

（h） 使用Giemsa染色分析細菌生物量的組織切片的代表性圖像；

（i） 通過對B220⁺細胞門控的記憶B細胞的代表性流動點圖；

（j） 通過對B220+細胞門控的記憶B細胞的統計分析；

（k） CD80⁺B_mem的代表性流點圖；

（l） CD80⁺Bmem的統計分析；

（m） 血清中IL1β細胞因子的水平；

（n） 不同人群血清IgG抗體水平；

05、成果啟示

綜上所述，該研究合成了一種2D無機MPS納米片，并研究了其在治療植入物感染時刺激抗菌生物膜體液免疫的潛力，MPS納米片由Mn、Se和P元素組成，這些元素都在免疫活性中發揮重要作用。采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）進一步修飾MPS納米片，隨后構建了MRSA植入物感染的小鼠模型，評價了MPS-PVP在其體內的抗菌和免疫調節作用。原位植入物感染模型顯示，注射MPS-PVP后，體液免疫激活和抗生物膜效果良好。IDLN中APC、T細胞和血漿B細胞的表型轉變以及血液中的細胞因子和抗體水平證明了MPS在體內具有顯著的免疫刺激作用。總的來說，這種無機免疫刺激平臺提供了比常規抗生素治療更全面的體液免疫激活和更強的生物膜清除效果。這項研究將激勵在實施這種新型免疫治療方法之前，在設計具有免疫刺激效應的納米材料方面繼續創新。

文獻鏈接：Inorganic nanosheets facilitate humoral immunity against medical implant infections by modulating immune co-stimulatory pathways，2022，https://doi.org/10.1038/s41467-022-32405-x）