Adaptive Nanoparticle-Mediated Modulation of Mitochondrial Homeostasis and Inflammation to Enhance Infected Bone Defect Healing

细胞生物学 炎症 活性氧 线粒体 炎症体 平衡 化学 氧化应激 线粒体融合 生物 生物化学 免疫学 线粒体DNA 基因
作者
Xu Chen,Qingqing He,Qiming Zhai,Han Tang,Dize Li,Xingyu Zhu,Xinhui Zheng,Guangyu Jian,Richard D. Cannon,Mei Li,Shan Wang,Ping Ji,Jinlin Song,Tao Chen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (22): 22960-22978 被引量:59
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c08165
摘要

Infected bone defects (IBDs) exhibit impaired healing due to excessive inflammation triggered by pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) from bacteria. As a vital factor in orchestrating immune responses, mitochondrial homeostasis maintenance is central to inflammation blockade. This research developed a chameleon-like nanoplatform by covering hydroxyapatite nanoparticles with a cerium ion coordinated tannic acid supramolecular network (HA@Ce-TA), which adaptively functions to regulate mitochondrial homeostasis based on intra- and extracellular environments. Extracellularly, acidic conditions activate HA@Ce-TA's peroxidase/oxidase-mimicking activity to produce reactive oxygen species (ROS), and external near-infrared (NIR) irradiation excites nanoscale Ce-TA to produce hyperthermia, which is found and explained by chemical computation. ROS production with photothermal therapy can eliminate bacteria effectively and reduce mitochondrial stress. Intracellularly, HA@Ce-TA remodels mitochondrial dynamics by upregulating mitochondrial fusion genes and eliminates excessive ROS by mimicking superoxidase/catalase. Consequently, this comprehensive modulation of mitochondrial homeostasis inhibits inflammasome overactivation. In vitro and in vivo studies showed HA@Ce-TA can modulate the mitochondria-centered inflammatory cascade to enhance IBD treatment, highlighting the potential of engineering nanotherapeutics to recalibrate mitochondrial homeostasis as an infected disease-modifying intervention.
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