當(dāng)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(chǎn)生的耐藥問題如此棘手。特別是“超級細(xì)菌”的出現(xiàn)，不僅使臨床對細(xì)菌感染治療效果大打折扣，甚至還出現(xiàn)了“無藥可用”的困局。

為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，全世界的科學(xué)家圍繞細(xì)菌耐藥性的相關(guān)問題展開了多學(xué)科交叉研究。令人欣慰的是，納米技術(shù)的引入為解決這一問題提供了新的策略。

近日，由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授韓鶴友領(lǐng)銜的納米化學(xué)生物學(xué)團(tuán)隊在《自然—通訊》在線發(fā)表一項研究，為該領(lǐng)域研究注入“加速劑”。該團(tuán)隊巧妙地利用了α—溶血素能夠在細(xì)胞膜上穿孔這一特性，通過負(fù)載抗菌藥物和反應(yīng)底物，仿生構(gòu)建了一種類細(xì)胞膜包裹的“多米諾”納米反應(yīng)器，實現(xiàn)了細(xì)菌毒素觸發(fā)的級聯(lián)反應(yīng)和藥物的靶向及可控釋放。這個“多米諾”過程能夠進(jìn)一步刺激機(jī)體免疫反應(yīng)，達(dá)到了藥物治療和免疫治療的協(xié)調(diào)抗菌效果。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)生物學(xué)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(xué)基金及華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主創(chuàng)新項目資助。

“狡猾”的MRSA

目前，世界上有六大超級細(xì)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。“細(xì)菌耐藥問題已經(jīng)構(gòu)成了全球重大公共健康威脅。”中國工程院院士鐘南山曾表示，一旦出現(xiàn)嚴(yán)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(xì)菌的特效藥。在上世紀(jì)60 年代，全世界每年死于感染性疾病的人數(shù)約為700 萬，而這一數(shù)字到了本世紀(jì)初上升到2000 萬。其中，死于敗血癥的人數(shù)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。”復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院抗生素研究所所長王明貴說，“超級細(xì)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(xué)報》，MRSA能夠分泌多種毒力因子，使其在宿主中定殖、侵襲和復(fù)制。這些毒力因子可以靶向破壞細(xì)胞膜，在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用，并且對其靶細(xì)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(guān)節(jié)炎、心內(nèi)膜炎、敗血癥等，還能引起皮膚結(jié)構(gòu)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(jìn)而精準(zhǔn)地將它殲滅呢?韓鶴友團(tuán)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(xì)胞、血小板，促進(jìn)小血管平滑肌收縮、痙攣，導(dǎo)致毛細(xì)血管流阻滯和局部缺血壞死。”吳陽告訴《中國科學(xué)報》，α—溶血素作為MRSA分泌的一種主要的細(xì)胞毒素，也是第一種被鑒定為造孔劑的細(xì)菌毒素。這種毒素通過在細(xì)胞膜上形成孔并改變其通透性來破壞細(xì)胞。

鑒于該團(tuán)隊之前在智能化納米材料設(shè)計方面的積累，同時又巧妙地利用了α—溶血素能夠在細(xì)胞膜上穿孔這一特性，他們通過負(fù)載抗菌藥物和反應(yīng)底物，仿生構(gòu)建了一種類細(xì)胞膜包裹的“多米諾”納米反應(yīng)器，實現(xiàn)了細(xì)菌毒素觸發(fā)的級聯(lián)反應(yīng)和藥物的靶向及可控釋放。

“這個反應(yīng)器能夠捕獲耐甲氧西林金黃色葡萄球菌分泌的毒素，內(nèi)層裝載了過氧化鈣和抗生素‘利福平’(RFP)。”吳陽表示，當(dāng)納米反應(yīng)器處于室溫(25℃)時，內(nèi)層為固態(tài)的相轉(zhuǎn)換材料能夠很好地保護(hù)過氧化鈣和“利福平”，以防止其釋放;當(dāng)溫度達(dá)到37℃(相轉(zhuǎn)換溫度)時，內(nèi)層的相轉(zhuǎn)換材料會由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，一旦遇到耐甲氧西林金黃色葡萄球菌，細(xì)菌分泌的毒素就會被納米反應(yīng)器捕獲。接下來，Hlα毒素會將納米反應(yīng)器表面識別為人體皮膚細(xì)胞，并在納米反應(yīng)器表面打孔，水分子通過孔道進(jìn)入納米反應(yīng)器與納米過氧化鈣反應(yīng)，產(chǎn)生過氧化氫，而過氧化氫進(jìn)一步分解產(chǎn)生氧氣，會使納米反應(yīng)器體積膨脹，從而促進(jìn)抗生素“利福平”的大量釋放，產(chǎn)生抗菌、清除毒素并促進(jìn)傷口愈合的效果。

更為神奇的是，納米反應(yīng)器不僅可以有效地吸附細(xì)菌毒素，還不會破壞毒素的結(jié)構(gòu)，同時使毒素失去活性，降低對正常細(xì)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(xì)胞，刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)并分泌具有中和效應(yīng)的抗體，實現(xiàn)了對體內(nèi)毒素的有效中和，最終達(dá)到了藥物治療和免疫治療的協(xié)調(diào)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(xué)報》，“超級細(xì)菌”的可怕之處并不是無藥可治，而是要達(dá)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(dǎo)致“超級細(xì)菌”被暫時殲滅的同時，又進(jìn)化出更加耐藥的“超級細(xì)菌”，另外，人體要承受大劑量抗生素帶來的“次生災(zāi)害”，可謂“殺敵一千，自損八百”。

力爭早日與臨床結(jié)合

對于此類研究，韓鶴友團(tuán)隊的成果可以說是“先人一步”?！吨袊茖W(xué)報》通過Web of science以及Google scholar檢索(截至2019年10月31日)，僅發(fā)現(xiàn)美國加州大學(xué)圣迭戈分校張良方課題組利用類生物膜和細(xì)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(zhì)和生物安全性問題、免疫治療效果、免疫可能的機(jī)制、文章格式、材料合成的細(xì)節(jié)問題。

“我們通過補(bǔ)充、完善系列實驗，增加了一些活體實驗，還特別請教了相關(guān)領(lǐng)域的專家，重新補(bǔ)充、設(shè)計了實驗，回答了審稿人的意見。”宋智勇說。

談到未來如何開展進(jìn)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(xì)菌菌株，結(jié)合毒素打孔以及納米技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)計更加智能化、多功能化的納米藥物，針對臨床中出現(xiàn)的耐藥性細(xì)菌感染提供新的治療策略。同時，他們還可以結(jié)合細(xì)菌毒素打孔和各種診斷策略，實現(xiàn)診療一體化的目標(biāo)，爭取早日將科研成果投入臨床。(記者 張思瑋)

關(guān)鍵詞： 納米技術(shù) 超級細(xì)菌 抗生素濫用 耐藥問題 細(xì)菌感染