Space-Selective Chemodynamic Therapy of CuFe5O8 Nanocubes for Implant-Related Infections

生物膜 免疫系统 激进的 植入 化学 催化作用 微生物学 体内 生物物理学 细胞外 细菌 巨噬细胞 体外 医学 生物 免疫学 生物化学 外科 生物技术 遗传学
作者
Geyong Guo,Huilin Zhang,Hao Shen,Chongzun Zhu,Renke He,Jin Tang,Wang Ya,Xingwu Jiang,Jiaxing Wang,Wenbo Bu,Xianlong Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (10): 13391-13405 被引量:121
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c05255
摘要

Implant-related infections (IRIs) are a serious complication after orthopedic surgery, especially when a biofilm develops and establishes physical and chemical barriers protecting bacteria from antibiotics and the hosts local immune system. Effectively eliminating biofilms is essential but difficult, as it requires not only breaking the physical barrier but also changing the chemical barrier that induces an immunosuppressive microenvironment. Herein, tailored to a biofilm microenvironment (BME), we proposed a space-selective chemodynamic therapy (CDT) strategy to combat IRIs using metastable CuFe5O8 nanocubes (NCs) as smart Fenton-like reaction catalysts whose activity can be regulated by pH and H2O2 concentration. In the biofilm, extracellular DNA (eDNA) was cleaved by high levels of hydroxyl radicals (•OH) catalyzed by CuFe5O8 NCs, thereby disrupting the rigid biofilm. Outside the biofilm with relatively higher pH and lower H2O2 concentration, lower levels of generated •OH effectively reversed the immunosuppressive microenvironment by inducing pro-inflammatory macrophage polarization. Biofilm fragments and exposed bacteria were then persistently eliminated through the collaboration of pro-inflammatory immunity and •OH. The spatially selective activation of CDT and synergistic immunomodulation exerted excellent effects on the treatment of IRIs in vitro and in vivo. The anti-infection strategy is expected to provide a method to conquer IRIs.
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