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抗菌材料，最新Nature系列綜述

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2025年06月21日 17:17

以青霉素為代表的抗生素堪稱是二十世紀(jì)最偉大的科學(xué)成就之一，它的臨床使用直接改變了人們對于細(xì)菌感染的治療方式和成效。然而，抗生素的濫用以及細(xì)菌的不斷進化導(dǎo)致細(xì)菌發(fā)展出了對于抗生素的強力耐藥性，以至于造成每年不計其數(shù)的全球性死亡。耐藥的革蘭氏陽性/陰性菌群能夠造成骨髓炎、呼吸道感染、手術(shù)相關(guān)感染等多種多樣的獲得性感染疾病，時刻威脅著人類的健康。

藥用青霉素

此外，如何在生物膜中有效殺死細(xì)菌也是一個巨大的挑戰(zhàn)。生物膜是細(xì)菌粘附在表面或者嵌入細(xì)胞外基質(zhì)時密集堆積的群落，其能夠保護細(xì)菌不受抗生素、抗體以及免疫細(xì)胞的殺傷，從而導(dǎo)致難以消除的局部慢性感染。不僅如此，生物膜內(nèi)的細(xì)菌可以維持冬眠狀態(tài)并造成復(fù)發(fā)性的感染。正因為生物膜的頑固性，治療策略對抗生素的用量提出了巨大的需求，這導(dǎo)致了嚴(yán)重副作用（如過敏反應(yīng)、脫靶毒性）的產(chǎn)生。

最新頂級綜述

耐藥細(xì)菌以及生物膜的治療現(xiàn)狀推動著新型抗菌療法的發(fā)展。近期，喬治亞理工學(xué)院的Andrés J. García等人撰寫了最新綜述文章，探討了用于治療獲得性感染的生物材料基非抗生素抗菌療法的發(fā)展。作者重點關(guān)注了這類基于生物材料的治療策略的臨床轉(zhuǎn)化潛力，并且展望了臨床轉(zhuǎn)化相關(guān)的挑戰(zhàn)和解決策略。相關(guān)文章以“Biomaterial-based antimicrobial therapies for the treatment of bacterial infections”為題發(fā)表在Nature Reviews Materials。

【文章要點】

一、生物材料基抗菌療法

生物材料可被構(gòu)建用于提升活性系統(tǒng)與治療劑之間的相互作用，有助于體內(nèi)平衡的迅速恢復(fù)。水凝膠、納米顆粒等生物材料可以將抗生素和其他抗菌劑遞送到感染位點，為在感染位點維持有效的藥物濃度提供適當(dāng)?shù)乃幬镝尫判袨?。此外，由聚陽離子和兩性離子聚合物構(gòu)成的支架及薄膜材料也具有殺菌抗菌的作用。因此，物理涂層和聚合物的共價接枝可以賦予生物醫(yī)學(xué)器件抵抗細(xì)菌感染的能力。生物材料遞送策略也可以進一步保護抗菌藥劑在體內(nèi)不受降解酶和滅活因子的影響。最后，生物材料可高效遞送多種抗菌藥劑，有效降低藥物的毒副作用（圖1）。

圖1生物材料基抗菌療法

二、噬菌體的遞送

噬菌體（Bacteriophages）是一類可以感染和溶解細(xì)菌的病毒，他們能夠感染溶解特定的細(xì)菌，同時降解生物膜基質(zhì)。通過感染細(xì)菌，噬菌體劫持細(xì)菌并利用其對自身進行復(fù)制，最終導(dǎo)致細(xì)菌的死亡。與抗生素不同，這一抗菌機制可有效殺滅多藥耐藥性細(xì)菌。而生物材料輔助的噬菌體療法如今在治療骨、肺、胃腸道等感染方面已經(jīng)展現(xiàn)出了臨床轉(zhuǎn)化前景（圖2）。

圖2基于微納顆粒的抗菌療法

三、抗菌多肽材料

抗菌多肽（AMPs）也是一種被開發(fā)用于感染處理的抗菌制劑。一般來說，抗菌多肽是一類聚陽離子兩親性多肽，這些多肽可通過破壞細(xì)菌細(xì)胞膜以及結(jié)合胞內(nèi)靶標(biāo)來實現(xiàn)抗菌作用。人們利用生物材料來進行抗菌多肽和佐劑的共遞送，可有效提高抗菌多肽的治療效果。例如，刺激響應(yīng)型納米顆?？裳b載抗菌多肽，到達感染位點后可持續(xù)釋放抗菌多肽。更重要的是，與游離多肽治療相比，生物材料基的多肽遞送展現(xiàn)出了更高的安全性（圖3）。

圖3水凝膠基抗菌療法

四、抗菌酶以及抗菌蛋白質(zhì)的遞送

由細(xì)菌或者噬菌體分泌的溶菌酶也可有效治療細(xì)菌感染。例如溶葡球菌酶作為一種金屬內(nèi)肽酶可特異性地抵抗葡萄球菌，其可以通過斷裂葡萄球菌肽聚糖層的五甘氨酸橋聯(lián)來殺死生物膜內(nèi)的細(xì)菌。數(shù)據(jù)顯示，超過66%的骨科感染是由金黃色葡萄球菌等造成的，因此溶葡球菌酶可成為治療骨科感染的有力工具。而利用基于天然聚合物、金屬、骨水泥等成分的水凝膠可遞送溶葡球菌酶或者產(chǎn)生溶葡球菌酶的細(xì)胞到達感染位點，不僅可以強化治療效果，還可以恢復(fù)位點的健康免疫微環(huán)境（圖3）。

五、聚陽離子聚合物

聚陽離子聚合物針對耐藥細(xì)菌也具有光譜的抗菌殺菌、抗生物膜的性質(zhì)。然而，與此同時，以聚乙烯亞胺等為代表的聚陽離子聚合物對哺乳動物細(xì)胞也具有毒性，限制了這類聚合物作為抗菌材料的發(fā)展。針對這一挑戰(zhàn)，人們合成了含有聚陽離子聚合物的嵌段共聚物，這些共聚物可以形成納米顆粒，并利用獨特的機制對生物膜進行清除。細(xì)胞實驗還表明，這類聚合物納米顆粒不會對哺乳動物的紅細(xì)胞造成有毒作用。

六、更多的新型抗菌生物材料

除以上所述之外，還有更多的替代型抗菌生物材料進入的基礎(chǔ)研究的視野。例如，人們利用磁性機器或者磁靶向復(fù)合材料作為遞送系統(tǒng)可將藥劑特異性遞送到病灶位點。有研究構(gòu)建了由氧化鐵納米顆粒組成的磁性催化抗菌機器可，由于具有產(chǎn)生抗菌自由基的能力以及降解酶的存在，這一機器可有效緩解細(xì)菌感染并造成生物膜的毀壞。

七、展望

雖然生物材料的發(fā)展大大擴展了抗菌療法的治療思路，但生物材料基抗菌療法的臨床轉(zhuǎn)換可以說是依然道阻且長。首先，在抗菌研究中需要發(fā)展成熟的慢性感染動物模型，從而有利于評估新型療法的療效和生物安全性。其次，目前的研究關(guān)注于抗菌效果的評價，卻忽視了療法的全局生理作用。因此，需要完善免疫細(xì)胞對于療法、生物材料載體等的響應(yīng)評價機制。最后，針對非抗生素治療藥劑，細(xì)菌也可能進化出耐藥機制。因此，我們也需要仔細(xì)研究細(xì)菌在這些新型療法中發(fā)展出耐藥性的潛在能力。

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來源：高分子科學(xué)前沿

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