Particules de MXène photothermiques intégrées à des tannins-Eu3+ pour des vaccins bactériens in situ dans la cicatrisation des plaies infectées par immersion en eau de mer

Contexte académique

Les plaies immergées dans l’eau de mer, en raison de leur environnement à basse température, à haute teneur en sel et riche en bactéries, sont sujettes à des infections graves qui entravent la cicatrisation. Les stratégies antibactériennes traditionnelles ne parviennent souvent pas à fournir une protection à long terme contre les infections ni à favoriser efficacement la cicatrisation. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé un nouveau pansement multifonctionnel visant à renforcer la résistance aux infections des plaies immergées en eau de mer en tuant les bactéries et en délivrant des antigènes bactériens in situ. Cette étude propose une stratégie basée sur des particules de tannins-europium (M@TA-Eu) intégrées à du MXène, utilisant l’effet photothermique pour tuer les bactéries et former un vaccin bactérien in situ, accélérant ainsi la cicatrisation et offrant une protection durable contre les infections.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Zhentao Li, Ting Song, Yanpeng Jiao, Zijing Zhu, Yang Liao et Zonghua Liu, issus respectivement du Département de science et ingénierie des matériaux de l’Université de Jinan, du Département d’ingénierie biomédicale de l’Université de Jinan et du Département de médecine de laboratoire de l’Hôpital général du Commandement du théâtre sud de l’Armée populaire de libération. L’article a été publié en ligne le 27 décembre 2024 dans la revue Bio-design and Manufacturing, avec le DOI 10.1631/bdm.2300327.

Processus et résultats de la recherche

1. Préparation et caractérisation des matériaux

a) Préparation du MXène

Les chercheurs ont d’abord préparé du Ti₃C₂ MXène en gravant de la poudre de Ti₃AlC₂ avec une solution d’acide fluorhydrique (HF). Ensuite, une solution d’hydroxyde de tétrapropylammonium (TPAOH) a été utilisée pour oxyder davantage le MXène, obtenant finalement une poudre de MXène par lyophilisation. La structure en couches et l’état de dispersion en monocouche/peu de couches du MXène ont été caractérisés par microscopie électronique à balayage (SEM) et diffraction des rayons X (XRD).

b) Préparation des particules M@TA-Eu

La poudre de MXène a été ajoutée à une solution d’acide tannique (TA), puis traitée par ultrasons et agitation avant l’ajout d’une solution d’europium (Eu³⁺). Le pH a été ajusté à 8,5, et les particules M@TA-Eu ont été obtenues par centrifugation et lyophilisation. La morphologie et les propriétés chimiques des particules ont été caractérisées en détail par SEM, spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), spectroscopie Raman et analyse thermogravimétrique (TGA).

2. Effet photothermique et activité antioxydante

a) Effet photothermique

L’introduction du MXène a significativement amélioré la réponse photothermique des particules M@TA-Eu. Sous irradiation lumineuse dans le proche infrarouge (NIR) à 808 nm, la température de la solution de particules a augmenté rapidement en 30 secondes, démontrant une efficacité élevée de conversion photothermique. Cet effet photothermique permet non seulement de tuer les bactéries, mais aussi de recruter des cellules présentatrices d’antigènes, renforçant ainsi l’efficacité de la vaccination.

b) Activité antioxydante

Les groupes hydroxyle phénoliques de l’acide tannique (TA) confèrent aux particules M@TA-Eu d’excellentes propriétés antioxydantes. Les expériences ont montré que les particules possèdent une capacité significative à éliminer les radicaux DPPH, le H₂O₂ et les anions superoxyde (·O₂⁻), ainsi qu’à éliminer les espèces réactives de l’oxygène (ROS) intracellulaires, réduisant ainsi les dommages oxydatifs aux cellules.

3. Biocompatibilité cellulaire et propriétés antibactériennes

a) Biocompatibilité cellulaire

Les particules M@TA-Eu ont montré une bonne biocompatibilité avec les cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine (HUVECs) et les fibroblastes de souris (L929). À faible concentration, les particules favorisent efficacement la prolifération cellulaire, tandis qu’à haute concentration, elles présentent une cytotoxicité dépendante de la dose.

b) Propriétés antibactériennes

Les particules M@TA-Eu ont démontré une activité antibactérienne significative contre Escherichia coli (E. coli) et Staphylococcus aureus (S. aureus). Sous irradiation NIR, l’effet antibactérien des particules a été encore renforcé, permettant de tuer efficacement les bactéries et de détruire leur structure membranaire.

4. Expériences de cicatrisation in vivo

a) Cicatrisation des plaies

Les chercheurs ont établi un modèle de plaie infectée par immersion en eau de mer chez des rats Sprague-Dawley, traitée avec des particules M@TA-Eu. Les résultats ont montré que les particules M2@TA-Eu assistées par NIR accélèrent significativement la cicatrisation, suppriment la réponse inflammatoire et favorisent la régénération vasculaire et le dépôt de collagène.

b) Colonisation bactérienne

Trois jours après le traitement, les particules M2@TA-Eu assistées par NIR ont significativement réduit la colonisation bactérienne au niveau des plaies, démontrant un puissant effet antibactérien.

5. Analyse de l’efficacité du vaccin in situ

a) Présentation de l’antigène et maturation des cellules dendritiques

Les particules M2@TA-Eu assistées par NIR ont significativement favorisé la maturation des cellules dendritiques (DCs) et la présentation de l’antigène, renforçant la réponse immunitaire humorale.

b) Production d’anticorps et sécrétion de cytokines

Sept jours après la vaccination, les particules M2@TA-Eu assistées par NIR ont induit des niveaux élevés d’anticorps IgG spécifiques aux bactéries et ont stimulé la sécrétion de cytokines (comme TNF-α, IFN-γ, IL-6 et IL-4), montrant une forte activation immunitaire.

c) Niveaux d’anticorps à long terme

Quarante jours après la vaccination, les particules M2@TA-Eu assistées par NIR ont maintenu des niveaux élevés d’anticorps IgG spécifiques aux bactéries, démontrant une protection durable contre les infections.

Conclusion et signification

Cette étude a développé un pansement multifonctionnel basé sur des particules de tannins-europium intégrées à du MXène, utilisant l’effet photothermique pour tuer les bactéries et former un vaccin bactérien in situ, accélérant ainsi la cicatrisation des plaies infectées par immersion en eau de mer et offrant une protection durable contre les infections. Cette recherche fournit non seulement une nouvelle stratégie pour le traitement des plaies infectées complexes et réfractaires, mais offre également une base théorique et expérimentale importante pour la conception et le développement de pansements multifonctionnels.

Points forts de la recherche

1. Multifonctionnalité : Les particules M@TA-Eu intègrent des effets photothermiques, antioxydants, angiogéniques et de présentation d’antigènes, favorisant une cicatrisation complète des plaies.
2. Vaccin in situ : La formation d’un vaccin in situ par effet photothermique offre une protection durable contre les infections.
3. Antibactérien efficace : Les particules M2@TA-Eu assistées par NIR tuent rapidement les bactéries, réduisant significativement leur colonisation dans les plaies.
4. Mémoire immunitaire durable : Les particules M2@TA-Eu assistées par NIR induisent des anticorps IgG spécifiques aux bactéries à long terme, offrant une protection durable contre les infections.

Cette étude ouvre de nouvelles perspectives pour le traitement des plaies infectées par immersion en eau de mer, avec une valeur scientifique et pratique significative.