细菌生物被膜感染的诊断与治疗研究

According to the American Health Association, more than 80% of bacterial infections are associated with the formation of bacterial biofilm. Biofilm can escape from the host's immune system and increase the tolerance of bacteria to antibiotics by a factor of 1000, which leading to serious clinical problems. In our previous work, we treated bacterial biofilm by constructing DNase-mimetic artificial enzyme and platforms for targeted “on-demand” prodrug delivery. This project intends to further construct multiple diagnostic and therapeutic systems for bacterial biofilm from the following three aspects: building a smart anti-coating interface, dispersing the formed biofilm, and constructing the integrated platform for the diagnosis and treatment of the biofilm. The main research content is as follows. Use the long afterglow, azobenzene and other optical functional materials to build intelligent anti-coating interface. The interface regeneration and reuse can be achieved through the external light stimulation. Nanomotors are applied to the treatment of bacterial biofilm and their trajectories are controlled by magnetic fields and near-infrared light, thereby improving the penetrability of the biofilm and facilitating the treatment of the capsule bacteria. The rare earth-doped upconverting nanoparticles, the biofilm-specific binding fluorescent molecules and the biofilm dispersant are combined in one system to build an integrated platform for the diagnosis and treatment of bacterial biofilms in vivo.

根据美国健康协会的调查表明，超过80%的细菌感染与细菌生物被膜的形成相关。生物被膜能够逃避宿主的免疫系统，并使细菌对抗生素的耐受性提高1000倍，从而导致严重的临床问题。在前期工作中，我们通过构建脱氧核糖核酸酶的人工模拟酶和具有靶向功能的“按需”前药递送新型抗菌平台等措施来治疗细菌被膜感染。本项目拟从构建智能抗被膜界面、分散已形成的生物被膜和构建被膜诊疗一体化平台三个方面等方面入手进一步构建多个细菌被膜的诊断与治疗体系。主要研究内容包括：用长余辉、偶氮苯等光功能材料构建智能抗被膜界面，通过外界光刺激来进行抗被膜界面的调控，实现界面再生后重复利用；将微纳米马达应用到细菌被膜的治疗中，并用磁场和近红外光控制其运行轨迹，从而提高被膜的穿透性，使被膜菌的治疗变得容易；将稀土掺杂的上转换纳米粒子、被膜特异性结合荧光分子及被膜分散剂结合在一个体系中，构建体内细菌生物被膜诊疗一体化平台。

细菌生物膜耐药性引发了严重的经济和环境问题。一旦细菌形成生物膜，其对抗生素的耐药性可增加10- 1000倍，对相关疾病的治疗构成巨大挑战。因此研究细菌生物被膜的快速而可靠的检测方法，抑制生物被膜的形成和根除生物被膜具有重要意义。在本项目中，我们从细菌被膜检测、被膜清除和智能抗被膜界面构建三个方面开展了工作。首先，我们以H2O2为燃料，MnO2为催化剂，研制了一种用于细菌生物膜感染的磁控多功能微马达。当H2O2存在时，所制备的马达可以通过产生的氧微气泡进行自驱动。远程控制的马达可以钻进生物膜的EPS并破坏它们。该策略将机械损伤、剧毒•OH和精确磁引导结合在一个系统中，可有效消除微通道生物感染性污垢。人工核酸酶氧化石墨烯基氮三乙酸-铈（IV）配合物也被用于抗细菌生物膜感染。它可以通过降解eDNA有效抑制生物膜的形成，分散形成的生物膜，近红外激光照射可产生局部高热杀死失去被膜保护的细菌。其次，我们利用“差分传感”原理构建了阵列传感器，来探索其对不同种类细菌及其被膜的区分检测。我们合成了一种对核酸有特异性响应的荧光分子，并将其修饰到四种抗菌肽上，组成了荧光探针阵列。基于此，我们实现了9种细菌及其被膜的100%区分。基于石墨烯复合材料的电化学阵列传感器也达到了同样的区分效果。这些传感器不仅可以区分不同种类的细菌，还可以实现不同种类的耐药菌、不同种类的生物膜等多种类的区分。最后，我们将锌的二吡啶胺配合物修饰到导电界面上构建了细菌粘附界面。该界面可以快速高效地吸附细菌，而通过电化学还原后可变为防污界面，释放细菌。此智能抗被膜界面可多次反复使用。本项目工作可以为生物被膜感染的诊疗提供借鉴。