植入物相关感染（Implant-Associated Infections, IAIs）尽管在生物材料和外科技术方面取得了进展，但植入物相关感染仍然是骨缺损修复成功的主要威胁，常常导致植入物失败和患者不良结局。系统使用抗生素或植入物置换手术可能是解决这一问题的有效临床选择，但药物靶向性有限和细菌耐药性可能削弱抗菌效果。此外，细菌死亡后释放的大量内毒素会引发过度炎症，而细菌微环境诱导的破骨细胞（Osteoclasts）限制了骨骼的修复。

作为一种新兴的抗菌策略，声动力疗法（Sonodynamic Therapy, SDT）利用超声波激活声敏剂，实现局部活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）的生成。ROS通过氧化应激作用于细菌的生物分子（如蛋白质、膜脂质和核酸），具有广谱杀菌效果。然而，SDT的疗效受到ROS短暂性和扩散性差的限制，且局部缺氧会进一步加剧这一问题。此外，过量的ROS可能会加剧炎症并引起细胞功能障碍，从而阻碍伤口愈合。

四川大学王端、周宗科和邓怡等人通过结合中药生物异质结和超声激活技术，实现对IAIs的有效治疗，同时促进骨整合和免疫调节。相关内容以“Ultrasound activated herbal bio-heterojunctions for self-catalytic regulation and bacterial cuproptosis-like death in the treatment of implant infection”为题发表在《Signal Transduction and Targeted Therapy 》上。

【主要内容】

图1研究设计与治疗机制示意图

图中详细描绘了壳层结构（Shell-in-Shell Structure）的构建，其中Cu₂O作为核心，锶（Sr）负载在内壳，姜黄素（Cur）在最外层形成异质界面。在超声激活下，外层的Cu₂O/Cur异质结构产生ROS实现抗菌效果，同时Cu(I)诱导类似铜死亡（Cuproptosis-like Death）机制进一步杀灭细菌。此外，释放的Cu(I)与Cur形成Cu-Cur金属复合物，具有抗氧化和抗炎特性，而Sr的释放则抑制破骨细胞活性并促进成骨，从而实现抗菌、抗炎和骨整合的协同治疗效果。

图2纳米颗粒的表征

图中显示了单层壳Cu₂O-Sr和双层壳Cu₂O-Sr/Cur的微观结构，确认了纳米颗粒的壳层结构和尺寸。高分辨率TEM图像揭示了Cur纳米点与Cu₂O-Sr纳米球之间的紧密界面，表明Cur成功负载在Cu₂O-Sr表面。此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析和X射线光电子能谱（XPS）进一步验证了Cur与Cu₂O-Sr之间的化学键合，而能量色散光谱（EDS）分析则确认了Sr主要分布在内壳。

图3声动力治疗（SDT）的声电和声催化性能

图中通过声电流响应和电化学阻抗谱（EIS）分析，表明Cu₂O-Sr/Cur在超声激活下能够显著提高电子-空穴分离效率，促进电荷转移。此外，通过1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）和亚甲蓝（MB）探针实验，定量分析了超声激活下产生的单线态氧（¹O₂）和羟基自由基（•OH），结果表明Cu₂O-Sr/Cur在超声激活下能够高效产生ROS，且其性能优于单独的Cu₂O-Sr。

图4体外抗菌性能

图中通过活/死荧光染色和扫描电子显微镜（SEM）观察，确认了Pp-CSC在超声激活下对细菌的显著杀伤效果。此外，通过荧光探针2',7'-二氯荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）检测了细胞内ROS水平，结果显示Pp-CSC在超声激活下能够显著提高ROS生成，进一步证实了其抗菌机制。

图5抗菌机制的转录组分析

图中通过火山图展示了差异表达基因（DEGs），并通过京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析，确定了受影响的生物化学、代谢和信号传导途径。结果表明，Pp-CSC（超声激活）主要影响核糖体、氧化磷酸化、柠檬酸循环、糖酵解/糖异生和RNA聚合酶等细菌相关途径。特别是，Pp-CSC（超声激活）显著干扰了柠檬酸循环（TCA循环）途径，导致类似铜死亡（Cuproptosis-like Death）机制的激活。

图6体外成骨分化和抗破骨细胞活性

图中通过F-肌动蛋白环染色、牛骨切片染色和抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色，确认了Pp-CSC能够有效抑制破骨细胞分化。此外，通过碱性磷酸酶（ALP）染色和茜素红S（ARS）染色，评估了Pp-CSC对成骨分化的影响，结果显示Pp-CSC显著促进了成骨细胞的分化和矿化。

图7抗氧化机制和抗炎效果

图中通过电子自旋共振（ESR）光谱和超氧歧化酶（SOD）活性实验，评估了Cu₂O-Sr/Cur对超氧阴离子（O₂•⁻）和羟基自由基（•OH）的清除能力。结果表明，Cu₂O-Sr/Cur在H₂O₂存在下能够有效清除ROS，且其性能优于单独的Cur。此外，通过循环伏安法（CV）分析了Cu(II)-Cur复合物的抗氧化机制，结果表明Cu(II)-Cur复合物通过模拟抗氧化酶的活性，有效中和ROS。

图8体内抗菌分析

图中通过细菌培养和组织学染色，评估了Pp-CSC在超声激活下对感染的控制能力。结果表明，Pp-CSC（超声激活）组在植入部位几乎没有分泌物或脓液，且细菌培养结果显示其抗菌效果显著优于其他组。此外，通过苏木精-伊红（H&E）和吉姆萨（Giemsa）染色，观察到Pp-CSC（超声激活）组的炎症细胞浸润和细菌存在最少。

图9体内骨再生分析

图中通过微计算机断层扫描（micro-CT）和三维重建，评估了新骨形成情况。结果表明，Pp-CSC（超声激活）组在植入部位形成了最多的新生骨，且骨体积/总体积（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）和骨小梁数量（Tb.N）等参数均显著优于其他组。此外，通过荧光标记评估了新骨形成速率，Pp-CSC（超声激活）组显示出最快的新骨沉积速率。

图10体内新骨形成与免疫反应分析

图中通过苏木精-伊红（H&E）、甲苯蓝（TB）和Goldner三色染色，评估了新骨形成情况。结果表明，Pp-CSC（超声激活）组在植入部位形成了最多的新生骨，且新骨主要围绕支架形成并逐渐渗透到多孔支架内部。此外，通过免疫荧光染色评估了血管内皮生长因子（VEGF）、骨形态发生蛋白2（BMP-2）和骨钙素（OCN）的表达，结果显示Pp-CSC（超声激活）组显著促进了骨形成和血管化。同时，通过抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色评估了破骨细胞的形成，Pp-CSC（超声激活）组显示出最少的破骨细胞。

【全文总结】

本文通过设计和制备具有壳层结构的中药生物异质结，并结合超声激活技术，成功开发了一种新型的非抗生素涂层。该涂层不仅能够高效杀灭细菌，还能促进骨整合和调节免疫反应，为IAIs的治疗提供了一种全面的解决方案。这一研究成果不仅在体外实验中表现出色，还在体内实验中得到了验证，显示出良好的临床应用前景。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41392-025-02388-4