納米技術欲破“超級細菌”難題
當人們還沉浸在抗生素發(fā)明帶來的喜悅時，卻未想到因抗生素濫用產生的耐藥問題如此棘手。特別是“超級細菌”的出現，不僅使臨床對細菌感染治療效果大打折扣，甚至還出現了“無藥可用”的困局。
為應對這一挑戰(zhàn)，全世界的科學家圍繞細菌耐藥性的相關問題展開了多學科交叉研究。令人欣慰的是，納米技術的引入為解決這一問題提供了新的策略。
近日，由華中農業(yè)大學教授韓鶴友領銜的納米化學生物學團隊在《自然—通訊》在線發(fā)表一項研究，為該領域研究注入“加速劑”。該團隊巧妙地利用了α—溶血素能夠在細胞膜上穿孔這一特性，通過負載抗菌藥物和反應底物，仿生構建了一種類細胞膜包裹的“多米諾”納米反應器，實現了細菌毒素觸發(fā)的級聯反應和藥物的靶向及可控釋放。這個“多米諾”過程能夠進一步刺激機體免疫反應，達到了藥物治療和免疫治療的協(xié)調抗菌效果。
華中農業(yè)大學化學生物學方向的博士研究生吳陽和青年教師宋智勇博士為該論文的共同第一作者，韓鶴友為通訊作者。上述研究成果獲得了國家自然科學基金及華中農業(yè)大學自主創(chuàng)新項目資助。
“狡猾”的MRSA
目前，世界上有六大超級細菌，分別為腸球菌、金黃色葡萄球菌、梭狀芽孢桿菌、鮑曼不動桿菌、銅綠假單胞菌、克雷伯菌屬�！凹毦退巻栴}已經構成了全球重大公共健康威脅�！敝袊こ淘涸菏跨娔仙皆硎�，一旦出現嚴重的耐藥，最主要的解決方法就是研制新藥。
但遺憾的是，目前世界上還沒有治療超級細菌的特效藥。在上世紀60年代，全世界每年死于感染性疾病的人數約為700萬，而這一數字到了本世紀初上升到2000萬。其中，死于敗血癥的人數上升了89%。
“臨床上由于患者病情危重、多器官功能障礙、自身免疫力低下，侵入操作多、抗菌藥物暴露等原因，存在較多多重耐藥菌感染發(fā)生的高危人群�！睆偷┐髮W附屬華山醫(yī)院抗生素研究所所長王明貴說，“超級細菌”能在人身上造成濃瘡和毒皰，甚至逐漸讓人的肌肉壞死。更可怕的是，抗生素藥物對它不起作用，病人會因為感染而引起可怕的炎癥、高燒、痙攣、昏迷，直到最后死亡。
其中，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)最為“狡猾”。韓鶴友告訴《中國科學報》，MRSA能夠分泌多種毒力因子，使其在宿主中定殖、侵襲和復制。這些毒力因子可以靶向破壞細胞膜，在細胞內發(fā)揮作用，并且對其靶細胞具有高度特異性。MRSA能夠造成多種深部感染，例如肺部感染、膿毒性關節(jié)炎、心內膜炎、敗血癥等，還能引起皮膚結構與軟組織感染，如膿皰病、燒傷感染、創(chuàng)傷感染、燙傷樣皮膚綜合征、中毒性休克綜合征。
“多米諾”過程的一舉多得
那么，該如何悄無聲息地接近MRSA，進而精準地將它殲滅呢？韓鶴友團隊注意到了Hlα毒素(α—溶血素)的作用。
“Hlα毒素(α—溶血素)有點特殊，它是耐甲氧西林金黃色葡萄球菌分泌的一種穿孔蛋白類溶血素，能夠損傷人和動物的紅細胞、血小板，促進小血管平滑肌收縮、痙攣，導致毛細血管流阻滯和局部缺血壞死�！眳顷柛嬖V《中國科學報》，α—溶血素作為MRSA分泌的一種主要的細胞毒素，也是第一種被鑒定為造孔劑的細菌毒素。這種毒素通過在細胞膜上形成孔并改變其通透性來破壞細胞。
鑒于該團隊之前在智能化納米材料設計方面的積累，同時又巧妙地利用了α—溶血素能夠在細胞膜上穿孔這一特性，他們通過負載抗菌藥物和反應底物，仿生構建了一種類細胞膜包裹的“多米諾”納米反應器，實現了細菌毒素觸發(fā)的級聯反應和藥物的靶向及可控釋放。
“這個反應器能夠捕獲耐甲氧西林金黃色葡萄球菌分泌的毒素，內層裝載了過氧化鈣和抗生素‘利福平’(RFP)�！眳顷柋硎�，當納米反應器處于室溫(25℃)時，內層為固態(tài)的相轉換材料能夠很好地保護過氧化鈣和“利福平”，以防止其釋放；當溫度達到37℃(相轉換溫度)時，內層的相轉換材料會由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)，一旦遇到耐甲氧西林金黃色葡萄球菌，細菌分泌的毒素就會被納米反應器捕獲。接下來，Hlα毒素會將納米反應器表面識別為人體皮膚細胞，并在納米反應器表面打孔，水分子通過孔道進入納米反應器與納米過氧化鈣反應，產生過氧化氫，而過氧化氫進一步分解產生氧氣，會使納米反應器體積膨脹，從而促進抗生素“利福平”的大量釋放，產生抗菌、清除毒素并促進傷口愈合的效果。
更為神奇的是，納米反應器不僅可以有效地吸附細菌毒素，還不會破壞毒素的結構，同時使毒素失去活性，降低對正常細胞膜的損傷。被捕獲的納米毒素通過血液循環(huán)呈遞給淋巴細胞，刺激機體產生免疫反應并分泌具有中和效應的抗體，實現了對體內毒素的有效中和，最終達到了藥物治療和免疫治療的協(xié)調抗菌效果。
“這正是‘多米諾’過程的精彩之處。”宋智勇告訴《中國科學報》，“超級細菌”的可怕之處并不是無藥可治，而是要達到治愈的效果，人體需要承受大劑量的抗生素作用。這樣的做法很可能導致“超級細菌”被暫時殲滅的同時，又進化出更加耐藥的“超級細菌”，另外，人體要承受大劑量抗生素帶來的“次生災害”，可謂“殺敵一千，自損八百”。
力爭早日與臨床結合
對于此類研究，韓鶴友團隊的成果可以說是“先人一步”。《中國科學報》通過Web of science以及Google scholar檢索(截至2019年10月31日)，僅發(fā)現美國加州大學圣迭戈分校張良方課題組利用類生物膜和細菌毒素開展了毒素吸附、毒素中和、藥物釋放以及抗菌和毒素清除的工作。
談到論文審稿過程，吳陽說，審稿人的意見主要集中在5個方面：材料的性質和生物安全性問題、免疫治療效果、免疫可能的機制、文章格式、材料合成的細節(jié)問題。
“我們通過補充、完善系列實驗，增加了一些活體實驗，還特別請教了相關領域的專家，重新補充、設計了實驗，回答了審稿人的意見�！彼沃怯抡f。
談到未來如何開展進一步工作，韓鶴友表示，目前他們的研究工作主要是基于小動物活體實驗評價治療效果，還沒有與臨床醫(yī)生展開合作。
韓鶴友希望在后期研究中，能夠與臨床醫(yī)生合作，從臨床中分離出MRSA或者其他能夠分泌溶血素的細菌菌株，結合毒素打孔以及納米技術優(yōu)勢，設計更加智能化、多功能化的納米藥物，針對臨床中出現的耐藥性細菌感染提供新的治療策略。同時，他們還可以結合細菌毒素打孔和各種診斷策略，實現診療一體化的目標，爭取早日將科研成果投入臨床。
張思瑋
