超过80%的慢性和临床感染由细菌生物被膜引起。胞外聚合物（EPS）保护了细菌生物被膜免受宿主免疫系统的清除，其组成成分包括多糖、蛋白、胞外DNA等，上述成分也阻碍了抗生素在生物膜中的渗透，同时因为生物被膜的乏氧、酸性微环境等导致传统抗生素疗法效果不佳。破坏EPS，使生物被膜中的驻留菌恢复至浮游状态是治疗的关键，而同样重要的是，生物被膜的分散和驻留菌的清除必须同时进行，不然脱离生物被膜的细菌拥有更强的毒力，易扩散并引起周围组织的感染和严重的毒副作用。通过产生活性氧（ROS）达到氧化损伤效果的光动力疗法拥有同时分散生物被膜及清除驻留菌的能力，但是受限于ROS的半衰期过短导致的氧化损伤半径有限，极大限制了光动力疗法清除细菌生物被膜的效果。同样重要且易被忽略的问题：在实际感染中，绝大多数为混合细菌感染，氧化损伤和大剂量抗生素一样，易导致细菌内毒素的释放，从而产生炎症、发热以及内毒素血症等。因此，如何提高ROS的氧化半径，并且减少内毒素造成的健康风险，在光动力应用于细菌生物被膜的治疗中，尤为关键。
【工作亮点】
针对这一问题，近期四川农业大学徐傅能教授团队设计并构建了可内毒素捕获的一氧化氮（NO）纳米发生器协同光动力疗法应用于细菌生物被膜感染的治疗，NO与ROS的结合不仅可以使半衰期最高延长至原来的百万倍，而且新生成的过氧亚硝酸根离子（ONOO-）具有更强的氧化活性；纳米发生器中的酸性敏感聚合物链段可在细菌生物被膜的微环境发生质子化，从而产生电荷反转，以吸附负电荷的内毒素，屏蔽其健康风险。相关工作以“Endotoxin-Capturing Nitric Oxide-Releasing Nanoproducers Synergistically Integrated with Photodynamic Therapy for Bacterial Biofilm Infections”为题发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。
论文第一作者为四川农业大学动物医学院2021级研究生王钶珍，通讯作者为四川农业大学动物医学院徐傅能教授、程安春教授以及西南交通大学周绍兵教授。该研究工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。
【图文分析】
图1 pH敏感的NO纳米发生器结合光动力疗法有效根除细菌生物被膜和减少内毒素引发的健康风险示意图
纳米发生器为均一分布的球形颗粒，水合粒径为135.20 ± 1.84 nm，有良好的稳定性。通过对酸敏聚合物链段的酸碱滴定，拟合滴定曲线并作一阶求导，得到其平衡常数（pKa）为7.2，通过Henderson-Hasselbalch 方程计算可得在细菌生物被膜微环境（pH 5.4）中，聚合物的电离百分比提高至98.4%，相比于中性环境提高了1.54倍，这一特性使纳米发生器的zeta电位可从中性条件的微负电荷升高至pH 5.4条件下的21.0 mV。
纳米发生器可以在激光照射下，实现25.00 μg min-1的ROS探针（DPBF）消耗，以及1.94 μm min-1的NO产生，并且具有明显的“开-关”特性，仅在激光照射时，具有释放特性。ROS和NO的释放成功的实现了ONOO-的产生。上述特性的纳米发生器应用于体外细菌生物被膜分散、渗透、清除效果等评价时，均取得了良好的效果。应用荧光素酶标记菌株用于活体生物被膜感染模型效果评价，模型为了确保为细菌生物被膜形式的感染，均在体外以高分子膜为基底进行生物被膜诱导，随后植入BALB/c小鼠背侧区域。其后通过生物发光信号采集及统计、生物被膜分散后的菌落计数、生物被膜胞外多糖的染色及统计等方法考察纳米发生器的活体抗生物膜感染效果。此外，还建立了小鼠皮肤感染脓肿模型，确证了纳米发生器对浮游细菌感染的治疗效果。为了进一步证明纳米发生器的内毒素捕获能力，作者采用对致病性混合细菌煮沸的方式，灭活细菌并获得以内毒素为代表的细菌成分，和纳米发生器等各组混合孵育，并注射进小鼠体内，通过测定炎性因子及炎性细胞的水平以证明纳米发生器的内毒素捕获效果。结果表明纳米发生器组IL-6和TNF-α等水平与PBS组相近，分别是对照组的67.45%和58.60%。证明纳米发生器在抗生物膜/菌治疗中有能力减少内毒素引发的健康风险。本文利用生物被膜清除和内毒素捕获相结合的策略，设计制备了pH敏感的NO、ROS纳米发生器，并证明纳米发生器在生物膜被膜感染模型及脓肿模型中均有上佳的治疗效果，可有效减少毒力菌株造成的炎性水平升高。该载体的构建及策略的应用，为细菌生物被膜感染的治疗提供了有价值的新型载体构建经验，并且在保证治疗效果的同时，如何避免继发的健康风险问题上取得突破。K. Wang, H. Li, Y. Hu, J. Lin, G. Shu, W. Zhang, H. Fu, X. Liang, A. Cheng, S. Zhou, F. Xu, Endotoxin-Capturing Nitric Oxide-Releasing Nanoproducers Synergistically Integrated with Photodynamic Therapy for Bacterial Biofilm Infections. Adv. Funct. Mater. 2024, 2418928.https://doi.org/10.1002/adfm.202418928https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202418928声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
