中性粒细胞胞外诱捕网（简称NETs）是固有免疫机制的重要一环。当病原体入侵机体时，中性粒细胞通过释放自身染色质网络来捕杀病原微生物，并激活吞噬细胞、促进白介素分泌实现共同防御。NETs的产生及生理功能常常受到周围环境中多重因素的制约，其中既包含免疫细胞、组织细胞，还包含各类细胞因子和补体系统。对免疫缺陷病人而言，NETs的释放机制、代谢方式都可能存在异常，由此导致NETs生理功能的改变，甚至引发免疫失调疾病。鉴于NETs所处生理环境的复杂性，相关病理机制的研究常常存在大量争议。

为此，研究者们试图将NETs从其复杂生理环境中剥离出来，并通过抗体标记、质谱分析等手段研究NETs在特定病理环境中的功能异常机制。然而天然NETs的成分复杂，个体差异大且分离困难，传统分析方法不仅耗时费力，而且通常难以对NETs的功能进行定量化评价。

为揭示NETs抗菌的构效关系及其环境协同机制，上海交通大学材料学院宋阳副教授课题组与佐治亚理工学院生物医学系S. Takayama讲席教授团队开展合作，通过自上而下的合成生物学手段，将DNA、组蛋白等NETs骨架成分进行仿生自组装，获得由DNA纳米纤维缠绕组蛋白的网状超分子结构，即DNA-组蛋白复合物（DHCs，见Adv. Mater. 2019, 31, 1807436）。在此基础上，对DHCs进行进一步表面酶修饰，获得DNA-组蛋白-弹性蛋白酶复合物（DHNEs）、DNA-组蛋白-髓过氧化物酶复合物（DHMPOs）等抗菌材料。通过将不同DNA-抗菌蛋白（酶）复合物与天然NETs的抗菌功能进行定量比较，可筛选出与NETs具有相似微纳结构、细菌捕获和抗菌功能的仿生材料。这些仿生材料可作为NETs的简化模型，定量解析NETs在不同抗菌成分条件下的构效关系。

图1  NETs仿生材料的抗菌活性依赖环境中的弹性蛋白酶抑制剂（a）DNA-组蛋白复合物的扫描电镜图片；（b）细胞来源NETs的扫描电镜图片；（c）DHNE捕获细菌的扫描电镜图片；（d,e）在不同浓度弹性蛋白酶及其抑制剂共同作用下，DHNEs对绿脓杆菌PAO1生长的抑制能力；（f）NETs在不同弹性蛋白酶活性环境下也表现出明显差异的杀菌活性变化。

随后，研究团队以α-1 抗胰蛋白酶缺乏症患者（AATD）的肺腔环境为例，考察NETs在特定病理环境中的抗菌失效机制。通过模拟肺腔积液中的弹性蛋白酶的及其抑制剂的浓度来重现NETs周围的病理环境。研究发现：DHNEs在AATD病理环境中具有快速降解的属性，其抗菌活度性依赖于环境中的弹性蛋白酶及其抑制剂的相对浓度水平（图1）。当弹性蛋白酶抑制剂保持在正常生理浓度范围时，DHNEs可执行与NETs类似的杀菌功能；而当弹性蛋白酶抑制剂浓度过低时，高活性的弹性蛋白酶可逐步降解NETs中的主要抗菌蛋白-组蛋白，从而抑制其细菌捕获和杀菌能力。

图2  肺上皮细胞A549与NETs之间的协同抗菌作用受弹性蛋白酶活性的调控（a）不同生理/病理环境下DHNEs对A59胞外绿脓杆菌的杀灭能力； （b）A549-DHNE-PAO1共培养条件下，A549细胞内的 PAO1菌落数受NE和AAT水平调控。（c）A549细胞可通过分泌酶抑制剂抑制DHNE中NE的酶活性。（d）NE和AAT共同调节NETs抗菌能力的示意图。

该仿生材料的模型提示：α-1抗胰蛋白酶缺乏症(AATD)患者常常面临更高的感染风险，而补充酶抑制剂可增强NETs的抗菌功能。这是由于NETs的主要抗菌蛋白被肺部炎性环境中的弹性蛋白酶快速降解，从而无法发挥有效的抗菌功能。研究人员进一步提出了NETs抗菌失效的病理环境假说，证实肺气道上皮细胞通过分泌弹性蛋白酶抑制剂参与NETs介导的抗菌免疫机制(图2)。基于仿生材料构建NETs体外模型的方法为定量化揭示NETs相关病理机制提供了新思路。

上述研究工作以Synthetic Neutrophil Extracellular Traps Dissect Bactericidal Contribution of NETs under Regulation of Alpha-1-Antitrypsin为题发表在Science Advances。上海交大博士后杨婷为该论文的第一作者，博士生余进龙为共同第一作者。研究工作得到上海市第六人民医院沈灏、黎之惟课题组；仁济医院聂芳等多家研究团队的联合支持。

上海交大材料学院