基于UBI29-41靶向肽的NIR-Ib纳米酶诊疗一体化平台：牙周炎厌氧菌成像与智能抗菌治疗

牙周炎是由牙菌斑引起的慢性炎症性疾病，全球患者超7亿，其治疗需综合解决病灶定位、厌氧菌抑制及炎症微环境调控等难题。传统治疗手段包括龈上洁治（清除牙菌斑及牙结石）、龈下刮治（深入牙周袋清除感染源）、抗生素（如甲硝唑、阿莫西林）及牙周手术（翻瓣术、植骨术等），但存在牙周袋结构复杂导致清创不彻底、抗生素对深部厌氧菌抑制效果差、无法逆转骨吸收等问题。近年来，纳米技术的应用为牙周炎治疗提供了新思路：例如基于液态金属镓的纳米药物（GaNC）通过光热激活实现抗菌与成骨双重功效，抑制牙龈卟啉单胞菌并促进干细胞成骨分化；近红外II区（NIR-IIb）响应型纳米酶系统（如DMUP）利用镧系掺杂下转换纳米颗粒实现高穿透深度的细菌荧光成像，并结合锰基纳米酶催化H₂O₂产氧改善缺氧环境、清除活性氧（ROS），协同丹皮酚（Pae）调控巨噬细胞M2极化减轻炎症，促进成骨基因（Runx2、OCN）表达。此外，近红外光响应型纳米酶（如Ag₂S/Ag₃PO₄复合材料）通过光热效应及级联催化产生活性氧高效杀灭耐药菌，并在钛植入物表面形成抗菌涂层预防感染复发。这些创新技术整合了病灶可视化、微环境调控与组织再生功能，突破了传统疗法的局限性。本研究开发了一种近红外IIb区（NIR-IIb）响应型多功能纳米酶系统（DMUP）（原理如Fig. 1所示），整合细菌成像、抗厌氧菌、抗炎及促骨再生功能。

Figure 1  DMUP的示意结构和工作原理DMUP的示意结构和工作原理。(a) DMUP的形成。(b)细菌成像流程。(c)巨噬细胞的转化。

该DMUP纳米酶平台的合成通过多步骤实现功能集成，其合成原理如Fig. 2所示：首先采用热分解法制备核壳结构镧系掺杂下转换纳米颗粒（DCNPs），其粒径约35 nm并具备NIR-IIb区（1500-1600 nm）荧光特性；随后包覆介孔二氧化硅（mSiO₂）形成亲水性载体DCMS，并通过ZIF-8金属有机框架在孔道内沉淀具有带状结构的锰基纳米酶（以四方晶系β-MnO₂为主，XRD及XPS证实Mn⁴⁺氧化态），赋予其类CAT/SOD级联催化活性；接着利用硫酯化反应将靶向肽UBI29-41共价修饰于载体表面（分子对接验证酰胺键稳定性），并通过π-π作用负载丹皮酚（Pae），最终形成多功能复合体系DMUP。该平台通过酸性微环境触发ZIF-8框架解体，释放Mn纳米酶与Pae，同时利用Mn纳米酶的广谱近红外吸收与DCNPs荧光间的FRET效应实现感染区域的可视化定位（荧光淬灭效率94%，释放后恢复率与H⁺浓度线性相关）。材料表征（TEM/SEM、元素映射、FTIR及ICP-MS）证实各组分的精确负载与结构稳定性，为牙周炎诊疗提供成像-抗菌-抗炎-成骨一体化的纳米解决方案。

Figure 2  DMUP的合成示意图。

DMUP纳米酶平台通过多模态协同机制实现牙周炎精准诊疗：在病理微环境中，其酸性响应型ZIF-8框架解离释放锰纳米酶（Mn nanozyme）与丹皮酚（Pae），其中Mn纳米酶表现出类过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）的级联催化活性，通过电子自旋共振（ESR）验证可高效清除·OH、·O₂⁻及H₂O₂（清除率>85%），并催化H₂O₂分解产氧（O₂产率3.2 μmol/min/mg），显著改善组织缺氧状态（[Ru(dpp)₃]Cl₂探针显示缺氧相关红色荧光衰减率达78%）。同时，表面修饰的UBI29-41靶向肽通过静电吸附细菌膜磷脂酰甘油（SEM显示其可特异性结合牙龈卟啉单胞菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）（Fig. 3b − d），UBI29 − 41可以通过表面接枝被DMUP特异性靶向到细菌表面（Fig. 3a）。在近红外II区成像中，DMUP（200 μg/mL）对10⁴-10⁹ CFU/mL细菌浓度呈现荧光强度正相关性（R²=0.97），检测限低至10⁴ CFU/mL，且与细菌共孵育10分钟即可完成靶向标记（FITC荧光示踪证实）。动物实验表明，该平台能穿透牙周袋复杂解剖结构实现病灶定位，其荧光强度与抗菌效果呈负相关（抑菌率>90%）；进一步通过SD大鼠腿部肌肉感染模型（模拟牙周缺氧、ROS过载及混合菌群环境）验证，注射500 μL DMUP后，NIR-II荧光信号与细菌浓度（10⁶-10¹¹ CFU/mL）呈显著剂量依赖性（R²=0.94）。生物安全性评估显示，DMUP在200 μg/mL浓度下对RAW264.7巨噬细胞存活率无影响（CCK-8>95%），且通过协同Pae调控Akt/mTOR通路促进巨噬细胞M2极化（M1/M2比例从4.7降至1.2），降低促炎因子IL-6、TNF-α表达（下降68%），同时上调成骨基因Runx2、OCN（2.3倍）。

Figure 3  (a) DMUP靶向细菌和酸响应荧光成像的示意图。代表性扫描电镜（SEM）图像显示DMUP靶向 (b) P. gingivalis, (c) E. coli 和 (d) S. aureus。

该研究同时探讨了DMUP对牙周炎致病菌的抗菌及抗生物膜活性，结果显示DMUP对厌氧菌（如牙龈卟啉单胞菌）的抑制效果显著优于需氧菌（如金黄色葡萄球菌）和兼性厌氧菌（如大肠杆菌），其最小抑菌浓度分别为200 µg/mL（牙龈卟啉单胞菌）和1600 µg/mL（大肠杆菌），而对需氧菌无明显抑制；通过扫描电镜观察到200 µg/mL DMUP可破坏细菌细胞膜结构，对牙龈卟啉单胞菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率分别为99.9%、95.7%和63.5%，并显著抑制牙龈卟啉单胞菌生物膜形成（去除率96%），机制涉及抑制菌毛蛋白A（fimA）、牙龈蛋白酶（kgp、rgpA、rgpB）等毒力基因表达，导致细菌膜破裂（收缩程度如Fig. 4所示）及蛋白泄漏；其针对厌氧菌的高效抗菌性能（优于传统药物MC）与牙周炎以厌氧菌主导的病理特征高度契合，验证了DMUP在牙周炎治疗中的应用潜力。

Figure 4  与牙周致病菌P. gingivalis、大肠杆菌E. coli和金黄色葡萄球菌S. aureus共同培养后，代表性板图像和扫描电子显微镜（SEM）图像。

研究人员通过体外体内实验综合评价了DMUP的抗炎作用：体外实验显示，DMUP（200 µg/mL）通过清除过量ROS抑制NF-κB/MAPK信号通路活化，显著下调LPS诱导的RAW264.7巨噬细胞中促炎因子TNF-α、IL-1β、IL-6的基因表达并上调抗炎因子TGF-β（流程如Fig. 5a所示），同时促进巨噬细胞表型由促炎型（M1，标志物iNOS、CD86）向抗炎型（M2，标志物Arg-1、CD206）转换，其机制源于Mn纳米酶（模拟SOD/CAT活性调控氧化还原平衡）与多酚类抗氧化剂（Pae）的协同作用；体内实验在大鼠细菌性牙周炎模型中证实（Fig. 5b），DMUP可降低牙周袋pH至6.5，显著减少牙龈出血、炎症细胞浸润及促炎因子（IL-6、IL-1β、TNF-α）表达，同时上调抗炎因子IL-10并促进胶原沉积，Micro-CT及组织学分析显示DMUP有效抑制牙槽骨吸收（缩短ABC-CEJ距离），增加骨体积分数（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）及骨密度（BMD），并通过上调成骨标志物OCN和Runx2表达增强骨再生，其疗效优于传统药物MC组，且血液学及器官病理学检测证实DMUP体内应用安全无毒性，综合表明DMUP通过多靶点抗炎-免疫调节-成骨协同作用实现牙周炎高效治疗。

Figure 5 (a) 诱导炎症RAW264.7细胞的示意图，以及抗炎和诱导自噬。(b) 在SD大鼠的左上颌侧进行牙周炎建模的示意图。

本研究开发了一种近红外IIb响应型多功能纳米酶平台（DMUP），通过酸性环境触发释放锰纳米酶催化内源性H₂O₂产氧，并与多酚抗氧化剂（Pae）协同调控巨噬细胞功能，实现牙周炎的多模态精准治疗。该平台整合细菌成像、抗厌氧菌（如牙龈卟啉单胞菌）、抗炎（抑制NF-κB/MAPK通路及促炎因子TNF-α/IL-6/IL-1β）及促骨再生（上调OCN/Runx2）功能，在动物模型中有效定位感染灶并降低炎症因子水平，显著改善牙槽骨吸收和胶原流失，且在大鼠腿部感染模型中验证其跨组织成像潜力，为植入物、人工关节等细菌感染疾病的靶向治疗提供新策略。尽管面临材料合成复杂、规模化生产挑战及临床需联合洁治等局限性，其“成像-治疗”一体化设计在感染性疾病诊疗中展现出重要应用价值，未来可通过优化合成工艺与验证复杂菌群协同疗效进一步推进转化。

原文doi：https://doi.or g/10.1186/s12951-025-03270-9