上海交大团队构建“超级炸弹”定点清除胞内菌，为对抗耐药菌提供新工具

人工关节、内固定器械等植入物是临床上骨科治疗的重要手段， 90%以上的骨科手术都涉及到植入物的安放。然而，因为植入材料本身是细菌黏附的良好载体，所以容易造成术后感染并导致手术失败。
目前，医生通过使用抗生素作为对抗细菌感染的主要手段，但细菌已进化出多种逃避抗生素杀灭的机制，使得骨科术后感染治疗困难重重。
在细菌的多种耐药机制中，有一种与植入物感染特别相关的机制。该机制是细菌进入类似休眠的状态，而处于这种状态下的细菌被称为“持留菌” 。植入物手术感染后，会有大量持留菌存在于其材料表面的生物膜内，或者躲藏在周围的组织细胞内部。
上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科暨上海市骨科内植物重点实验室的研究人员发现，铁是持留菌所依赖的必需元素，而另外一种与铁元素结构非常近似的镓元素，能够通过“欺骗”细菌、与铁元素竞争性进入细菌内影响多种蛋白的合成，达到干扰其铁代谢的作用。

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图丨汤亭亭教授（来源：汤亭亭）
由于镓离子在体内不稳定，易形成氢氧化镓沉淀，为了提高镓离子在体内的稳定性并达到续镓离子的持续释放，该团队构建了一种100nm左右的新型含镓金属有机框架材料GaMOF ，结果显示，该材料可以通过干扰持留菌的铁代谢，抑制持留菌对抗生素的耐受性，为医学植入物感染的治疗提供了一种定点清除持留菌的“超级炸弹” 。
2022年8月11日，相关论文以《亚150纳米镓有机无机框架材料负载抗生素用于清除持留菌的“超级穿透炸弹”》（Sub150nmNanoscaleGalliumBasedMetal–OrganicFrameworksArmoredAntibioticsasSuperPenetratingBombsforEradicatingPersistentBacteria）为题在AdvancedFunctionalMaterials上发表，并被选为期刊封面[1] 。

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图丨相关论文（来源：AdvancedFunctionalMaterials）

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图丨相关论文入选封面（来源：AdvancedFunctionalMaterials）
该论文的第一作者为上海交通大学医学院附属第九人民医院黄凯老师，论文共同通讯作者为上海交通大学医学院附属第九人民医院赵杰教授、汤亭亭教授和杨盛兵副研究员。
谈及论文审稿人的评价，汤亭亭教授表示：“三位审稿人对我们采用干扰细菌铁代谢以增强抗生素对持留菌的杀伤策略非常认可。耐药菌广泛流行使抗生素的疗效大打折扣，同时新型抗生素的研发已有数十年未有突破，传统抗生素治疗面临巨大挑战，审稿人认为这一策略极大地拓展了很多临床抗生素的使用范围，为应对潜在的抗生素匮乏危机带来了新的工具。 ”

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图丨杨盛兵副研究员（来源：杨盛兵）
据杨盛兵介绍，这项成果主要经历了三个研究阶段，分别是发现并分析临床问题和科学问题，提出解决问题的策略和发展解决问题的工具，以及对制备的含镓纳米抗生素“炸弹”进行生物学验证。
首先，通过对临床标本和动物标本的研究和观察，研究人员发现组织样本内确实存在胞内的持留菌，而持留菌的存在会导致组织细胞的死亡，表现为“焦亡”的形式，并伴有炎症因子的释放。同时，这类细菌也需要铁元素，来维持其基本代谢。

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图丨感染组织内胞内菌的透射电镜图片（来源：AdvancedFunctionalMaterials）