抗菌素耐药性(AMR)是一个重大的全球健康威胁，其影响遍及世界各地。根据世界卫生组织(WHO)的数据，AMR每年在全球范围内导致约70万人死亡，如果当前趋势持续下去，到2050年，这一数字预计将达到每年1000万人。
值得注意的是，在许多国家，由AMR导致的死亡人数超过了糖尿病、肾脏疾病、消化系统疾病和其他非传染性疾病导致的死亡人数。AMR对临床实践有着深远的影响，影响着各种医疗环境中感染的管理。本文将讨论利用新型生物材料和噬菌体对抗AMR的最新进展。
伤口特别容易被AMR细菌定植，这使得伤口愈合复杂化，并增加了脓毒症和截肢等严重并发症的风险，进而加剧了慢性伤口的负担。由于慢性伤口的患病率和成本不断上升，它们对医疗系统产生了影响。AMR的快速增长进一步限制了标准抗生素疗法的有效性，需要使用更强效且更昂贵的抗菌剂，这些抗菌剂可能具有不良反应并导致进一步的耐药性发展。
从慢性伤口中分离出的最常见细菌包括葡萄球菌属(47–55%)，主要是金黄色葡萄球菌(S. aureus)和表皮葡萄球菌(S. epidermidis)，铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)(25–33.6%)，不动杆菌属(Acinetobacter spp.)，粪肠球菌(Enterococcus faecalis)，以及肠杆菌科如大肠杆菌(Escherichia coli)、肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)和肠杆菌属(Enterobacter spp.)。这些细菌中的许多已经发展出持久的AMR，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)。它们对常用抗生素高度耐药，因此限制了伤口感染的治疗选择。为了应对AMR细菌感染伤口的日益增长的威胁，Han及其同事设计了一种创新方法，直接降解负责细菌生长的蛋白质。
UDP-N-乙酰胞壁酰-L-丙氨酰-D-谷氨酸连接酶(MurD)是对抗细菌抗生素耐药性的主要靶点，因为它催化肽聚糖的合成，而肽聚糖是细菌细胞壁中的主要结构成分。Han等人开发了一种细菌纳米诱导剂(bacNID)，旨在特异性降解MurD，有效抑制革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的生长。
"我们的论文解决了全球公共卫生和抗菌治疗中的两个关键且相互关联的挑战：1) 抗生素耐药性危机。细菌通过膜通透性变化、靶点突变、酶失活和外排泵等机制迅速对抗生素产生耐药性；以及2) 传统药物开发模式的失败。制药行业在开发新抗生素方面面临着>95%的失败率。即使找到了新药，细菌通常也会迅速产生耐药性，而且许多候选药物存在药代动力学差、全身毒性以及无法选择性靶向细菌而非健康宿主细胞的问题，"中国北京国家纳米科学中心的论文资深作者、教授Guangjun Nie博士说。
Nie补充说，通过放弃"一靶点一药物"的抑制模式，他们的研究解决了如何杀死细菌而不给它们进化耐药性机会的问题。"它通过劫持细菌自身的蛋白质降解机制来破坏细胞壁合成所需的必需蛋白质（如MurD）来实现这一点。"
研究团队首先将靶向MurD的肽(pMurD)与金纳米颗粒结合，同时添加了快速可降解的SsrA肽标签。SsrA标签的作用是结合MurD，从而"欺骗"细菌ClpXP蛋白酶降解MurD。金纳米颗粒作为肽递送载体，可被细菌直接摄取，从而绕过潜在的膜通透性屏障。通过这种方式，bacNID可以破坏合成细胞壁所需的MurD，导致细菌死亡。
研究小组表明，bacNID能够特异性地抑制模型革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，具有剂量依赖性降解特性，同时对非靶向哺乳动物细胞表现出低细胞毒性。bacNID还特异性地靶向MurD，同时保留其他Mur连接酶。这种方法也可以与其他纳米颗粒载体（如铂）一起使用，使其成为抑制多种AMR细菌的通用方法。
为了提高对机制的理解，研究小组使用了各种技术，发现经bacNID处理的细菌遭受了细胞壁损伤，导致大量DNA和ATP泄漏。有趣的是，与传统抗生素相比，持续使用bacNID治疗后并未导致耐药性的形成。
在体内感染皮肤伤口模型中，作者表明bacNID治疗不仅减少了感染负担，还促进了更好的伤口愈合结果，包括更大的皮肤细胞增殖、新生血管生成和更低的炎症。为了扩展其方法的适用性，bacNID还在金黄色葡萄球菌感染的难愈性角膜炎模型和鼠伤寒沙门氏菌诱导的结肠炎模型中进行了测试，在这两种疾病中都显示出很好的效果。
"虽然我们目前的研究集中在MurD上，但未来的主要步骤是将bacNID平台应用于降解其他必需的细菌蛋白质。读者可以期待该团队针对各种病原菌中的不同靶点开发bacNID（例如，靶向毒力因子或其他代谢酶）。bacNID的未来迭代可能会结合刺激响应纳米技术（如pH或酶敏感连接），以确保降解诱导活性仅在感染部位的特定微环境中被激活，进一步减少脱靶效应，"Nie说。
"我们还将进行更深入的机制研究，以明确阐明为什么靶向蛋白质降解不会像传统疗法那样引发抗生素耐药性。"
由于人口老龄化，植入物的使用正在增加，但这些植入物容易形成细菌生物膜。生物膜中的胞外聚合物质已知会减少抗生素渗透，同时创造一个免疫抑制环境，导致抗菌反应受损。特别是，骨科植入物为血源性细菌提供了有利的生长和形成生物膜的栖息地。Yang及其同事假设，引起植入物感染的细菌可以被重新包装为药物载体，以穿透生物膜进行膜内药物递送。
"基因改造细菌已成为各种生物医学应用的有前景的递送平台，从癌症免疫治疗到传染病治疗。然而，当前活细菌生物治疗的临床转化仍受到两大瓶颈的阻碍：未解决的体内安全性问题和需要复杂的物种特异性基因工程。通过利用生物膜的固有生命周期，我们经过化学处理的细菌触发器能够在生物膜结构深处实现局部药物释放，有效清除基因不同的细菌和真菌感染模型中的生物膜，"哈佛医学院的资深作者、教授Wei Tao博士说。
研究团队首先通过氯化钙处理细菌，以增加膜孔隙度并增强其摄取外源药物（如抗生素）的能力。然后使用紫外线辐射使细菌膜修复机制失活，创建不可逆的膜孔。他们发现，经过改造的细菌，即"tricker"，能够迁移并在生物膜中繁衍，最终释放外源药物，而这些药物通常难以递送。
随着生物膜的成熟，周围的细菌已知会被吸引并整合到其中。研究团队首先用荧光染料标记他们的tricker细菌，发现细菌在整个生物膜中整合，覆盖率为80%。然而，需要注意的是，如果tricker和生物膜细菌物种相同，整合效果最佳。研究团队发现，虽然改造后的金黄色葡萄球菌可以在60分钟内穿透金黄色葡萄球菌生物膜的核心，但改造后的E. coli几乎无法穿透金黄色葡萄球菌生物膜。同样，改造后的E. coli可以穿透E. coli生物膜的核心，而改造后的金黄色葡萄球菌穿透E. coli生物膜的效率要低得多。一旦进入生物膜，经过化学修饰和失活的细菌被发现会裂解，尤其是在缺氧和酸性条件下。
除了阻止抗生素渗透外，生物膜还可以释放抑制免疫系统的细菌衍生材料，特别是巨噬细胞。例如，众所周知，金黄色葡萄球菌生物膜可以将巨噬细胞偏向抗炎M2表型，其特征是抗菌肽产生受损、精氨酸酶-1(Arg-1)升高以及诱导型一氧化氮合酶(iNOS)表达减弱。有趣的是，Yang及其同事发现tricker细菌能够改变生物膜的代谢状态，导致通过iNOS增强I-精氨酸的产生，以生成一氧化氮，从而改善细菌清除能力。
在皮下植入物感染的体内模型中，研究团队发现淋巴结中成熟的树突状细胞和M1样巨噬细胞活化明显增加。具有抗菌免疫记忆功能的记忆B细胞和抗体的数量也增加了。在初次细菌接种和干预后，研究团队重新引入MRSA，发现86%的治疗小鼠排斥了MRSA，而所有对照组小鼠都死于感染。这一发现表明，使用tricker细菌的治疗能够内源性地激发先天和适应性免疫系统，以更好地控制AMR，并具有预防复发的细菌特异性系统记忆潜力。
最后，该策略在小鼠骨感染模型中进行了测试。通过追踪细胞因子水平和组织组织学，研究团队表明他们的策略在生物学上是安全的。对对侧膝盖进行MRSA再挑战也导致治疗小鼠的生物膜负担显著下降，为免疫记忆提供了令人信服的证据。
"为了推进其临床转化，该方法的抗菌功效将在包括兔子、猪和狗在内的大型动物模型中进一步验证。这种策略在个性化抗菌治疗的未来临床转化中展现出巨大潜力，通过分析患者来源的病原体并设计定制的'tricker'细菌，可以实现高效精确的治疗。此外，当前的方法适用于多微生物感染。未来的工作还将探索将修饰细菌与其他抗菌剂或功能材料结合以优化治疗效果的可行性，"Tao补充道。
与保留的移植物中持续存在的耐药细菌相关的生物膜相关血管移植物感染(VGI)是一个重大的治疗挑战。由于患者因素和手术技术挑战，移植物摘除并不总是可能的。为了有效保留移植物，VGI的治疗通常是一个长期的静脉抗生素疗程，随后是长期的抑制性抗菌治疗。然而，移植物存活率低，复发感染很常见。
噬菌体是专门感染细菌细胞的病毒，可以导致细菌裂解。它们已被证明对形成生物膜的细菌具有活性，甚至可以通过引发噬菌体-抗生素协同作用来增强抗生素活性，以对抗AMR。Chung及其同事利用噬菌体鸡尾酒治疗了一名36岁女性患者，该患者患有难治性铜绿假单胞菌纵隔炎和血管移植物感染。
"我们的论文解决了由多重耐药、形成生物膜的病原体引起的VGI有效治疗的关键转化障碍。首先，生物膜相关感染中的抗生素失败，因为嵌入生物膜中的VGI病原体对抗生素表现出明显的耐受性，尽管进行了长期治疗，但仍导致持续感染和复发。其次，AMR的升级，因为在抗生素压力下会出现耐药亚群，进一步限制了本已复杂感染的治疗选择。第三，缺乏及时、个性化的治疗，因为传统噬菌体治疗工作流程缓慢，使得在急性或恶化病例中难以及时干预。
此外，不可预测的噬菌体-抗生素相互作用，如噬菌体-抗生素协同作用，在常规临床工作流程中无法可靠地识别或优化。最后，临床-实验室整合的碎片化，因为实时微生物学、药理学和临床决策之间的整合有限，无法实现适应性治疗，"新加坡杜克-国大医学院SingHealth的资深作者、副教授Andrea Kwa博士说。
研究团队建立了一个多维评估工作流程，从新加坡噬菌体库中识别最合适的治疗噬菌体。筛选从使用点和斑块测定对四种铜绿假单胞菌临床分离株进行噬菌体敏感性测试开始，然后进行其他测定以确定最有效的鸡尾酒。由于噬菌体在静脉给药时具有高度免疫原性，研究团队还进行了全身炎症监测，发现患者对噬菌体耐受良好。
研究团队发现，他们的噬菌体鸡尾酒能够通过改变细菌的外排能力来恢复抗生素敏感性。这对该患者的抗生素选择产生了积极影响。例如，氟喹诺酮类敏感性得以恢复，使其能够作为长期VGI管理的口服抑制性抗生素重新使用。
Kwa补充说，在这一概念验证的基础上，她的团队下一阶段的重点是将及时定制的噬菌体-抗生素治疗规模化、标准化并整合到常规临床实践中。"我们的主要未来方向包括扩大快速响应噬菌体平台的规模，例如扩展噬菌体库/库，配备特征明确、临床准备就绪的噬菌体，加快匹配和部署速度，克服当前的采购延误。我们还将开发噬菌体敏感性测试和噬菌体-抗生素协同测试的标准化精准工作流程。我们的团队还将增强技术的监管和转化准备，用于符合GMP的生产管道，以实现可扩展的临床部署。"
AMR是一个影响全球的严重医疗问题。随着抗生素在农场和临床环境中的使用增加，这一问题需要认真对待。不幸的是，抗生素的开发缓慢且大多不成功，因此社会需要一种新方法来有效治疗AMR。生物材料提供了一种新途径，将tricker细菌递送到生物膜中，以改善膜内药物递送并激活受抑制的免疫系统，同时抑制细菌内部生长机制。噬菌体也成为一种流行的选择，特别是用于个性化医学，当与生物材料（如水凝胶）结合使用以改善其递送并减少全身免疫原性时，这种疗法可能会显示出更高的疗效。
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