Advanced Science | 毒力选择性-捕获-杀死具有免疫-代谢调控的抗菌纳米结构，用于治疗植入相关感染

骨科植入物相关感染（IAIs）的治疗面临重大挑战，因为耐药性不断增加。本研究报告了一种毒力选择性诱捕-捕获-杀死抗菌系统，有效治疗持久感染，同时通过调控 IAIs 引起的免疫和代谢微环境紊乱，促进局部骨组织再生。本研究基于经过阳离子五环共面主链（fascaplysin 衍生物 14，F-14）改造的 TiO2 纳米管阵列，制造了一个纳米结构抗菌系统（F-14-TNA）。修饰表面诱导出独特的毒力起始趋化行为，TiO2 纳米结构选择性捕获感染微生物群中的高致病细菌株。这些被捕获的细菌菌株随后通过静电力被带正电的 F-14 表面捕获。随后，毒力选择性细菌通过磷酸转移酶系统调控的活性氧介导途径——环腺苷单磷酸受体蛋白级联反应被杀死。体外和体内研究显示，F-14-TNA 具有多种生物相容性功能，如有效的抗菌活性、调控骨感染的免疫微环境以及恢复骨代谢紊乱。本研究开发的纳米结构为治疗 IAIs 提供了一种新方法。

骨科手术中，植入物相关感染是临床上面临的一大棘手难题。这类感染往往导致抗生素过度使用，加剧细菌耐药性，而感染引发的持续炎症和骨代谢失衡，更让治疗雪上加霜。传统抗菌涂层多侧重于广谱杀菌，难以应对生物膜内高度异质性的细菌群体，尤其对那些隐匿深处、毒力最强的“顽固分子”常常束手无策。

近期，一项发表于《先进科学》的研究带来了一种全新的解决方案。科研团队巧妙设计了一种基于二氧化钛纳米管阵列的智能抗菌系统，并将其命名为F-14-TNA。这个系统并非简单粗暴地“滥杀无辜”，而是精心策划了一场针对高毒力细菌的“精准围剿”，其核心策略可概括为“诱捕-捕获-杀灭”三部曲。

第一步是“智能诱捕”。研究团队发现，他们制备的二氧化钛纳米管阵列本身具有独特的纳米拓扑结构。这种结构并非排斥所有细菌，相反，它能通过一种类似“化学趋向性”的机制，选择性地吸引和滞留那些高毒力、强侵袭性的细菌菌株。实验证明，在金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的混合感染模型中，纳米管表面显著富集了更多毒力更强的金黄色葡萄球菌。这种选择性诱捕能力，为后续精准打击奠定了关键第一步。

第二步是“静电捕获”。纳米管阵列上装载了一种名为F-14的新型抗菌化合物，这是一种带有正电荷的五环平面结构衍生物。当被诱捕来的细菌接近表面时，其带负电的细胞膜会与F-14的正电荷发生强烈的静电相互作用，犹如被“分子粘扣”牢牢抓住。这种结合不仅定位精准，还为进一步的杀灭作用创造了条件。

第三步是“级联杀灭”。这是整个系统的核心杀伤机制。研究表明，F-14的作用并非简单的膜破坏。它能够干扰细菌体内的磷酸转移酶系统，进而影响关键的cAMP-Crp信号通路。这一系列级联反应最终导致细菌内活性氧水平急剧升高，从而对蛋白质、核酸等生命大分子造成不可逆的氧化损伤，彻底杀灭细菌。这种从内部“引爆”的机制，效率高且不易诱发耐药性。

体外和体内实验共同验证了该系统的强大效能。在对抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的生物膜和浮游菌时，F-14-TNA表现出远超传统钛材和空白纳米管组的抗菌活性，能有效清除细菌并抑制生物膜形成。在大鼠股骨骨髓腔植入感染模型中，植入F-14-TNA的动物其体温和体重恢复最快，从植入物表面及周围骨组织中回收的活菌数量也显著低于其他对照组，显示出卓越的体内抗感染能力。

更令人称道的是，这一系统超越了单纯的抗菌范畴，展现出全面的“生物调节”功能。一方面，二氧化钛纳米结构本身已被证实能促进骨髓间充质干细胞的成骨分化，增强碱性磷酸酶活性、钙结节形成以及成骨相关标志物的表达。另一方面，它还能调节感染局部的免疫微环境，促使巨噬细胞从促炎的M1型向抗炎修复的M2型极化，从而减轻炎症反应，为骨组织再生创造有利条件。Micro-CT和病理学分析证实，接受F-14-TNA治疗的大鼠，其植入物周围的骨量、骨密度和骨整合情况都得到显著改善。

总而言之，这项研究提出的F-14-TNA系统代表了一种治疗植入物感染的全新范式。它不再仅仅依赖化学药物的释放，而是综合利用纳米结构的物理诱捕、化合物的静电捕获以及针对细菌关键代谢通路的精准杀灭，构建了一个多层次的协同抗菌体系。同时，其兼具的免疫调节与促成骨能力，真正实现了从“抗感染”到“促愈合”的跨越。虽然从实验室走向临床还有很长的路要走，但这一集成化、智能化的设计理念，无疑为未来开发更高效、更安全的抗植入物感染材料指明了充满希望的方向。

参考消息：

https://www.x-mol.com/paper/1967726370794270720/t?adv