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受吞噬细胞启发的超分子自组装设计：用于模拟无生命细胞以识别和消灭病原体摘要病原体正在迅速发展对抗抗生素和人体免疫系统的抵抗力。与复杂的生物成分相比，人工细胞提供了一种有吸引力的策略，可以从简单的非生物材料中构建类似细胞的系统，具有可调的性质和易于合成的特点。受天然吞噬细胞的启发，我们开发了一种基于配位键自组装的、受吞噬细胞启发的超分子抗菌宏观结构。这种结构能够模拟三种吞噬细胞功能：（i）快速捕获病原体，在30分钟内实现约70%的结合率，比原始吞噬细胞更快；（ii）通过钒离子驱动的活性氧（ROS）生成来消灭细菌；（iii）在与病原体相互作用后发生类似细胞凋亡的自限性失活。扫描电子显微镜（SEM）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）证实了这种结构在适当浓度（4–20 μg/mL）下会分解，并释放出约100%的钴（Co）和钒（V）；密度泛函理论（DFT）分析也显示钴能够识别细菌中的胺基团。该材料在体外能够消灭90%以上的生物膜，在体外效果优于左氧氟沙星（levofloxacin）和甲硝唑（metronidazole），并且在体内有效治疗与生物膜相关的伤口感染和细菌性角膜炎。我们将这种材料描述为一种受吞噬细胞启发的超分子仿生细胞，是一种合理设计的非生物组装体，能够模拟吞噬作用的三个关键步骤。全面的表征以及实验和理论分析阐明了其类似吞噬细胞的抗菌级联反应的化学和分子机制。细菌的代谢组学和基因组学分析以及多模态分析为配位键驱动的自组装和抗菌活性提供了见解。这项研究为下一代非生物人工细胞仿生体和智能抗菌材料的发展奠定了基础。 重要性声明受吞噬细胞启发的CoVOx-SIOC非生物细胞仿生体能够快速捕获病原体并通过活性氧介导的机制将其消灭。超分子设计使其具有类似细胞凋亡的自限性失活功能，从而防止附带损害。该材料在体外能够消除90%以上的生物膜，显著优于传统抗生素。体外和体内模型及分析证明了其对与生物膜相关的伤口感染和细菌性角膜炎的有效治疗效果及其作用机制。 引言人工生命是一个新兴的跨学科领域，其核心理念侧重于理解生命系统的基本特性而非偶然特征，通过人工合成这些系统的简化形式来探究生命现象。“人工细胞”是一个最近被提出的概念。与活细胞不同，人工细胞不具备能够精确控制生物功能的复杂生化机制。人工细胞由合成非生物材料制成，旨在模仿自然细胞的关键生物功能或机制，同时具有更优的性能和更高的效率，并且在生产和操作方面具有优势[1],[2],[3],[4],[5]。许多研究提出了各种非生物细胞仿生系统，例如Cu2O-Inx人工叶子[6]、MOF沸石咪唑框架基人工细胞[7]、作为细胞膜运输模拟物的无机胶体颗粒[8]、纳米钻石晶体蛋白仿生体[9]、配备抗氧化酶的Pt簇[11]以及用于听觉系统的仿生柔性压电声学传感器[12]等。在我们之前的研究中，我们将Pd与噬菌体结合在混合的生物非生物系统中（phage@Pd系统），使其具有pH依赖性的过氧化物酶活性，从而安全有效地通过生成羟基自由基来消灭细菌[13]。尽管这些非生物系统模仿了生命系统的某些特征，但它们在与活细胞相比时既有优势也有局限性，值得进一步探索，以更好地理解生物机制、人工设计和材料化学。 吞噬细胞是免疫防御中的关键细胞，具有多种功能，包括伤口愈合、炎症调节以及作为抵御体内微生物病原体入侵的先天免疫防御系统的主要组成部分[14],[15]。吞噬细胞通过依次捕获、吞噬病原体并随后发生细胞凋亡来消灭它们[16],[17],[18],[19]。具体来说，吞噬细胞利用具有粗糙网状结构的细胞外陷阱（ETs）来高效捕获病原体[14]。此外，ETs中的核苷酸结合受体（NLRs）能够识别多种微生物病原体的配体，如肽聚糖、DNA、RNA、鞭毛蛋白、ATP、尿酸等，帮助它们识别来自宿主细胞的入侵者[15],[18],[21]。在识别并捕获病原体后，溶酶体中的各种氧化酶（OXD）可以生成足够的活性氧（如超氧阴离子•O2）来立即消灭被吞噬的病原体[24],[25]。OXD酶中的活性催化位点主要由含有血红素（heme）的位点或钒（VO4）中心组成[26],[27]。在严重感染的情况下，吞噬细胞在吞噬病原体后会经历细胞凋亡或自我毁灭，以限制病原体的扩散并减少细胞因子过度释放造成的损害。 基于这一背景，我们提出了一种基于超分子化学的受吞噬细胞启发的非生物细胞仿生体设计，该设计能够在微米尺度上方便地合成材料，并通过设计实现可控的解体。这种级联系统具备吞噬细胞的三个关键功能：捕获细菌、杀死细菌以及发生自我凋亡。之前的设计，如Long等人报道的基于Fe?N?O的人工巨噬细胞，虽然能够通过表面粗糙度和促氧化活性实现细菌捕获和杀死，但缺乏自我凋亡功能[3]。相比之下，我们系统的溶解过程不仅模拟了吞噬细胞的特性，还减轻了人工组装体的毒性。随后，我们利用这种受吞噬细胞启发的非生物细胞仿生体在体外抑制并消灭了表面上的耐药细菌生物膜。在此基础上，该材料被应用于感染耐药细菌的小鼠模型中的原位消毒和伤口愈合，其中生物膜的破坏起到了核心作用。通过有效治疗细菌性角膜炎进一步证明了其治疗潜力。为了阐明其作用机制，我们研究了该合成材料诱导的细菌代谢组和基因组变化。这些结果通过化学、生物学、计算和成像技术的综合评估，全面评估了该材料的合理设计、抗菌和抗生物膜性能、治疗效果及其作用机制。 与被动扩散并通过单一生化途径起作用的抗生素不同，我们的材料在纯化学框架内再现了吞噬防御的三个核心步骤：（i）通过模仿细胞外陷阱的拓扑特征实现病原体捕获，促进与细菌细胞壁的强结合；（ii）通过VOx催化位点生成超氧阴离子，发挥类似氧化酶的活性来消灭病原体；（iii）通过钴中心和细菌功能基团之间的竞争性配位实现自我限制性的失活（“自我凋亡”），从而防止对宿主的附带损害，并表现出良好的生物相容性。我们的系统并不是活的吞噬细胞，而是一种受吞噬细胞抗菌防御策略启发的非生物超分子结构。因此，我们将其描述为一种基于钴和钒的受吞噬细胞启发的超分子无机细胞仿生体（CoVOx-SIOC），强调虽然它模仿了天然吞噬细胞的抗菌级联反应，但不复制其他细胞特性，如趋化性、梯度感应或免疫信号传导。我们在这里明确这一区别，因为这突显了我们的非生物材料能够选择性地捕获和消灭多重耐药细菌（包括嵌入生物膜中的菌株），同时不损害宿主上皮细胞，避免与天然免疫细胞过度等同。最终，整个机制导致钴和VOx物质的释放，从而消灭细菌并使超分子结构解体。我们制备的CoVOx-SIOC在受控条件下比天然吞噬细胞表现出更好的性能。这项研究展示了细胞仿生体和合理设计材料在模仿活细胞活性功能方面的潜力，这些功能以前仅限于活细胞和基于生物的自组装组件。此外，还为仿生学领域未来的设计策略以及理解无机-生物相互作用奠定了基础。（图1） 材料3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）购自美国Sigma-Aldrich公司。5-叔丁氧基羰基-5-甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（BMPO）购自中国Macklin公司。六氰合钴酸钾（K3[Co(CN)6]·3H2O）、硝酸钴（Co(NO3)2·xH2O）和无水偏钒酸钠（NaVO3）购自中国新华医药试剂有限公司。所有化学品均未经进一步纯化使用。金黄色葡萄球菌 ATCC 6538、大肠杆菌 ATCC 25922和假单胞菌 讨论吞噬细胞被认为是自然界抵御入侵动物体内的有害微生物的防御机制。在抵御微生物的过程中，吞噬细胞通过三个阶段来消灭病原体：i) 识别病原体；ii) 通过氧化爆发消灭微生物；iii) 发生细胞凋亡。尽管如此，由于同时存在抗氧化酶，天然吞噬细胞无法消灭某些耐药的病原菌 结论总结来说，我们报道了一种简单的单步设计方法，利用无机超分子自组装制备了CoVOx-SIOC。我们合理且策略性地设计了这种受吞噬细胞启发的材料，以模拟天然吞噬细胞的关键阶段：捕获病原体、通过生成活性氧消灭病原体以及通过细胞凋亡来抑制炎症。CoVOx-SIOC在0.5小时内实现了快速捕获细菌，明显优于天然吞噬细胞所需的约4小时 |
