生物膜相关感染给现代医学带来了重大挑战，因为细菌生物膜对常规抗菌治疗不仅具有强耐受性，还能躲避宿主免疫反应。最近的研究强调了金属离子作为免疫调节剂和抗菌剂的潜力，从而开辟了新的治疗干预途径。其中，铜离子因其强大的抗菌特性而尤为引人注目，其作用机制包括破坏细菌细胞壁、诱导氧化应激以及抑制关键代谢途径等。然而，生物膜基质构成了一道难以逾越的屏障，通常会阻止铜离子深入渗透并达到生物膜内部的有效抑制浓度。因此，开发一种能够破坏生物膜结构并促进铜离子渗透的治疗方式，可为消除其耐受性从而治疗顽固的生物膜感染提供新方案。

2025年7月31日，南京大学医学院附属口腔医院牟永斌&董衡团队联合新加坡国立大学修尉峻博士在《ACS nano》杂志发表了题为“Disrupting Biofilm Tolerance by Ionic Microbubble-mediated Copper Ion Surge for Infection Clearance”的研究工作，第一作者为李筱叶博士。

【文章要点】

该研究构建了一种金属离子微泡（MB-CuTA），MB-CuTA由单宁酸铜包覆的四氧化三铁纳米颗粒（Fe-CuTA）自组装而成，在超声刺激下，MB-CuTA会发生惯性空化，从而有效破坏生物膜结构，并促进Fe-CuTA纳米颗粒在生物膜基质中的深层渗透。释放出的 Fe-CuTA不仅能催化活性氧（ROS）的生成，进一步破坏生物膜结构，还能释放高浓度的铜离子。这些铜离子会扰乱细菌的代谢平衡，并诱导细菌类铜死亡，从而产生强大的杀菌活性。此外，微泡空化产生的声孔效应显著增强了巨噬细胞对Fe-CuTA纳米颗粒的摄取，导致细胞内铜离子积累增加，以有效清除胞内细菌。释放出的铜离子还能通过促进M1型巨噬细胞极化、Th1细胞分化、N1型极化中性粒细胞活化以及树突状细胞成熟来进一步增强免疫激活（图1）。这些协同的免疫调节效应共同作用，营造出强大的抗菌微环境，在钛植入物耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）生物膜感染小鼠模型以及腹膜炎小鼠模型中均表现优异。通过阐明铜离子、细菌病原体和免疫细胞在克服生物膜耐受稳态方面的复杂相互作用，这项工作为开发针对顽固生物膜感染的创新铜基疗法提供了基础框架。

图1.超声激活MB-CuTA用于引发“copper ion surge”以破坏生物膜耐受性稳态。

在本研究中，作者利用金属离子交联单宁酸（MITA）的卓越的粘附性，在Fe₃O₄纳米颗粒模板表面包覆了一层单宁酸铜（Fe-CuTA）。Fe-CuTA在阴离子表面活性剂的辅助下进一步在气液界面组装成微泡结构，并且随着气体扩散，微气泡逐渐缩小直至紧密排列。超声波刺激可使微泡产生惯性空化，导致其逐渐破裂并释放药物，因此，作者研究了微泡在超声作用下的行为，包括微射流的产生和铜离子的释放。此外，释放的铜离子在酸性条件下可以发生价态转变，并诱导活性氧的生成。

图2. Fe-CuTA 和 MB-CuTA 的制备与表征。

随后，作者在体外验证了MB-CuTA对MRSA生物膜的抗菌效果，并通过转录组测序等一系列手段揭示铜离子的杀菌机制。

图3. 体外不同处理方式对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物膜的治疗效果。

图4. 经Fe-CuTA处理的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的差异基因表达及抗菌机制。

巨噬细胞作为专业的吞噬细胞，是机体抵御感染性疾病的第一道防线。生物膜感染期间释放的游离细菌以及MB-CuTA + US处理后产生的细菌碎片会被巨噬细胞吞噬。巨噬细胞在吞噬入侵细菌后，会采用一系列杀菌机制来有效清除细胞内的病原体。然而，某些细菌能够在巨噬细胞内持续存在，并有可能引发感染复发或全身性扩散，尤其是在生物膜感染的微环境中，巨噬细胞的功能会受到阻碍。因此，激活巨噬细胞以诱导其抗菌防御的策略至关重要。已有报道表明，金属离子能够刺激巨噬细胞启动或增强广谱抗菌反应。研究者证实，释放的Fe-CuTA纳米颗粒通过释放铜离子诱导巨噬细胞免疫调节，从而激活巨噬细胞，引发显著的促炎反应。这种金属离子触发的巨噬细胞促炎反应通过胞内细菌清除实验得到进一步的验证。

图5. 体外免疫激活：巨噬细胞M1极化。

图6. 增强的抗胞内菌活性。

为了确定MB-CuTA + US对体内细菌生物膜的治疗效果，作者们建立了由MRSA生物膜引起的植入物相关感染（IAIs）小鼠模型。在皮下IAIs小鼠模型中，首先验证了超声刺激下MB-CuTA在皮下组织中的渗透效果。随后验证了抗菌和促炎激活效果，所有这些结果表明，超声响应MB-CuTA疗法通过铜离子介导的细菌类铜死亡和细胞免疫激活，破坏了细菌生物膜的耐受性稳态，从而有效消除植入物感染。为了验证MB-CuTA是否能够重编程宿主免疫反应以增强细菌感染的治疗效果，作者建立了小鼠腹膜炎模型。在腹膜炎模型中，MB-CuTA + US通过诱导M1巨噬细胞和N1中性粒细胞极化、促树突状细胞成熟以及促进辅助性T细胞向Th1极化，调动全身抗菌免疫，从而抑制细菌感染。

图7. 体内治疗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物膜相关植入物感染。

图8. 在小鼠腹膜炎模型中MB-CuTA的抗胞内菌和免疫激活效果。

【文章结论与讨论，启发与展望】

综上所述，研究人员开发了由Fe-CuTA纳米颗粒自组装形成的超声响应性微泡（MB-CuTA），为打破生物膜耐受性稳态提供了一种策略。微泡结构展现出了独特的声学响应性，在低强度超声波作用下，引发惯性空化，产生局部微流并伴随强大的机械力，克服顽固的细菌生物膜基质屏障。更重要的是，超声刺激后，微泡释放出的大量铜离子可以渗透到生物膜的深部，破坏细菌的代谢稳态。对于免疫细胞而言，声孔效应增强了铜离子细胞摄取，激活了受抑制的巨噬细胞以增强对胞内细菌的清除，并改善了生物膜感染引起的免疫抑制状态。这一过程重塑了宿主-病原体界面，有效地将直接抗菌作用与宿主免疫调节相结合，为克服生物膜耐受性提供了有前景的治疗途径，最终实现生物膜相关感染的有效治疗。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c08035

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