静电作用新发现:调控生物材料 - 病原体界面电荷可提升抗生素疗效

《Advanced Biotechnology》:Electrostatic charge at the biomaterial-pathogen interface influences antibiotic efficacy

【字体: 时间:2025年04月04日 来源:Advanced Biotechnology

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  为解决植入相关感染(IAI)问题,研究人员开展 “静电电荷对生物材料 - 病原体界面及抗生素疗效影响” 的研究。结果发现材料表面电荷影响金黄色葡萄球菌(S. aureus)的生理状态和抗生素耐受性,该成果有助于指导个性化生物材料 - 抗生素配对,降低 IAI 发生率。

  在医学领域,植入相关感染(IAI)一直是个棘手的难题。想象一下,当人们满心期待植入的医疗设备能帮助恢复健康,却没想到感染问题接踵而至,不仅会导致慢性疼痛、延迟愈合,严重时甚至可能面临植入物被排斥、截肢,乃至失去生命。尽管医学在不断进步,各种抗感染技术和生物材料也在持续研发,比如用防污聚合物涂层、银纳米颗粒处理生物材料,或是对其进行表面形貌改造等,但这些新技术大多因监管问题和制造挑战难以广泛应用。目前,预防性抗生素治疗仍是缓解 IAI 的关键手段。不过,以往对细菌抗生素耐受性的研究,往往忽视了生物材料与病原体相互作用的影响。在这样的背景下,弗林德斯大学(Flinders University)等机构的研究人员开展了一项重要研究,相关成果发表在《Advanced Biotechnology》上。
为了探究材料表面的静电电荷对金黄色葡萄球菌(S. aureus,一种在临床上极具挑战性的病原体)生理状态的影响,以及这种影响如何作用于其对抗生素的耐受性,研究人员采用了多种关键技术方法。他们运用等离子体聚合沉积技术,在模型底物上制备出带有不同静电电荷的材料表面涂层;利用定量逆转录聚合酶链式反应(qRT-PCR)测量与细胞表面电荷相关基因的表达;通过同步辐射源衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)微光谱技术,分析细菌在不同电荷表面附着后的生物分子变化;还进行了抗生素敏感性实验,研究不同电荷的抗生素对附着在不同表面的细菌的作用效果 。
研究结果如下:
  1. 带电底物的制备与表征:研究人员选用 1,7 - 辛二烯(OD)、2 - 甲基 - 2 - 恶唑啉(POX)、丙烯酸(AC)和烯丙胺(AA)作为前驱体,通过等离子体聚合在玻璃盖玻片上制备了不同的薄膜涂层。对这些涂层进行物理、化学和形貌表征后发现,它们的亲水性、厚度、表面电荷和化学组成各不相同,且涂层厚度在 20 - 30nm 之间,表面粗糙度差异不显著,同时具有良好的体外细胞相容性。
  2. 金黄色葡萄球菌对不同电荷底物的初始附着:在研究金黄色葡萄球菌在不同电荷底物上的附着情况时发现,在 15 - 180 分钟的早期附着阶段,细胞密度在最初 60 分钟逐渐增加,随后 120 分钟迅速上升。但在这期间,材料表面电荷与细菌附着率并无明显关联,这表明金黄色葡萄球菌能够适应不同材料的静电特性,以实现最大化附着。
  3. 与细胞表面电荷相关基因的表达:研究人员进一步测量了与细胞表面电荷修饰相关的基因(dlt 操纵子和 mprF)的表达情况。结果显示,与浮游细胞相比,附着在不同电荷表面的细菌中这些基因的表达均有所增加,且在带负电荷的 AC 表面上的表达上调更为显著。这说明这些基因不仅在生物膜形成过程中发挥作用,其表达程度还受材料静电特性的调控。
  4. 同步辐射 ATR - FTIR 分析:利用同步辐射 ATR - FTIR 光谱对附着在不同电荷表面的金黄色葡萄球菌进行分析,发现材料表面电荷对细菌的生物分子特性有显著影响。例如,在指纹区,附着在带正电荷 AA 表面的细胞吸光度更强,表明其分泌的细胞外 DNA(eDNA)和生物膜相关多糖增加;同时,不同电荷表面还导致细菌细胞膜组成和细胞包膜蛋白构象发生改变。
  5. 金黄色葡萄球菌对抗生素的耐受性:研究不同电荷底物对金黄色葡萄球菌对抗生素耐受性的影响时,选择了带负电荷的 AC 和带正电荷的 AA 涂层,以及临床常用的两种抗生素头孢唑林(cefazolin)和万古霉素(vancomycin)。实验结果表明,抗生素的疗效受病原体附着底物的显著影响。头孢唑林在带负电荷的 AC 表面对金黄色葡萄球菌的杀菌效果显著,而万古霉素则在带正电荷的 AA 表面效果更佳。即使是对耐多药金黄色葡萄球菌(MRSA),万古霉素也呈现出类似的趋势。
    研究结论和讨论部分指出,这项研究揭示了生物材料 - 病原体界面上一个被忽视的重要现象:金黄色葡萄球菌的包膜会根据材料表面电荷的不同发生表型变化,这种变化会选择性地影响不同电荷抗生素的活性。这一发现对临床实践具有重要意义,医生和外科医生可以根据材料的静电特性,选择合适的抗生素进行预防性治疗,从而提高抗生素预防的成功率,降低 IAI 的发生率。此外,该研究还为进一步探索先进的感染缓解策略提供了新的思路,比如通过设计材料表面来对抗抗生素耐药性,有望为解决这一医学难题开辟新的途径。

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