超声联合微泡通过声辐射力调控和动力学行为高效瓦解金黄色葡萄球菌生物被膜

本研究针对植入医疗器械表面金黄色葡萄球菌生物被膜难以清除的临床难题，探讨了超声联合微泡的物理分散策略。研究发现，在1.1 MHz频率、2500 kPa高声压下，通过声辐射力将微泡推向生物被膜可实现94%的局部清除率，并揭示了大尺寸微泡（>10 μm）的平移运动是主要作用机制。该研究为生物被膜相关感染的非抗生素治疗提供了新思路。

　　

植入医疗器械，如心脏起搏器、人工关节和中心静脉导管，在挽救生命的同时也带来了一个棘手的临床难题——细菌生物被膜感染。金黄色葡萄球菌作为一种常见的人类病原体，极易在这些设备表面形成生物被膜。这种由细菌群落及其自身分泌的胞外聚合物（EPS）构成的保护性基质，如同一个坚固的堡垒，能将细菌对抗生素的敏感性降低100至1000倍，导致常规抗生素治疗常常失败，感染相关死亡率高达20-40%。

面对这一挑战，研究人员将目光投向了超声联合微泡这一非抗生素物理治疗策略。微泡是直径在1-10微米、具有稳定外壳（如脂质或聚合物）的气体微球，临床上广泛用作超声造影剂。当微泡在超声场中发生振荡时，不仅能增强成像对比度，还能在局部产生剪切应力等力学效应，有望物理性破坏生物被膜的结构。然而，此前的研究多局限于小范围观察，且对超声参数（如声压、声辐射力方向）和生物被膜生长条件如何影响清除效果缺乏系统评估。为了填补这些空白，来自英国利兹大学的研究团队在《Biofilm》上发表了一项深入研究，系统探讨了超声联合微泡对金黄色葡萄球菌生物被膜的清除效能及其内在机制。

为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术：利用微流控芯片在模拟生理流动条件下培养金黄色葡萄球菌生物被膜；通过激光共聚焦荧光显微镜进行生物被膜形貌表征和清除效果定量分析；制备并表征脂质外壳微泡；搭建定制的单阵元超声辐照系统，并利用针式水听器进行声场校准；采用高速摄像技术实时观察微泡在超声作用下的动力学行为。

3.1. 微流控生物被膜生长

研究人员在微流控器件中成功培养了均匀的金黄色葡萄球菌生物被膜，为后续的观察和处理提供了理想模型。生物被膜在哺乳动物细胞培养基（DMEM）和持续流动（40 μL/min）条件下生长24小时，模拟了体内环境。

3.2. 超声方向和压力的影响

这是本研究的核心发现部分。研究人员系统比较了不同超声峰值负压（PNP，360 kPa vs 2500 kPa）和超声方向（声辐射力推动微泡朝向生物被膜US↑，或远离生物被膜US↓）对生物被膜清除的影响。

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  低压力（360 kPa）：无论是单独使用超声还是超声联合微泡，均未观察到显著的生物被膜清除。
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  高压力（2500 kPa）与超声方向US↑：超声单独作用可在超声焦域外围（>R_US）引起部分生物被膜清除（约40%），这可能与超声引起的流效应有关。而当联合微泡时，在超声焦域内部（<>_US）实现了近乎完全的生物被膜清除（94 ± 2%），清除效果随径向距离增加而略有下降。
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  高压力（2500 kPa）与超声方向US↓：超声单独作用未引起生物被膜清除。超声联合微泡仍能清除大部分生物被膜（81 ± 3% within R_US），但效果显著低于US↑条件，凸显了声辐射力方向在将微泡推向作用靶点中的重要性。

3.2.1. 微泡在芯片上的行为及生物被膜清除机制

通过高速成像和全芯片观察，研究人员深入探究了作用机制。

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  在360 kPa压力下，大微泡（>10 μm）基本不受影响，而小微泡（~1 μm）在超声焦域内逐渐消失（溶解或被迫离开成像焦平面）。在焦域边缘观察到小微泡聚集成簇，并伴随有条纹状生物被膜清除，提示微泡簇的形成和运动可能与清除有关。
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  在2500 kPa压力下，小微泡在首个超声脉冲（1 ms）内即迅速消失（可能发生了惯性空化或被剧烈推移）。而大微泡（>10 μm）在经过约20个脉冲后开始发生平移运动，从超声焦域中心向外迁移，最终聚集在约2倍焦域半径（2R_US）的环形区域。研究人员推测，这些大微泡在超声作用下的平移运动是导致生物被膜大面积清除的主导机制。

3.3. 生物被膜生长的表面处理

为了模拟体内条件下医疗器械表面被血浆蛋白包被的情况，研究人员在生物被膜生长前对微流控芯片表面进行了纤维蛋白原或人血浆预处理。

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  表面预处理显著改变了生物被膜的形态：与未处理的平滑生物被膜相比，纤维蛋白原处理增加了生物被膜粗糙度，而人血浆处理则导致了蘑菇状结构，并显著增加了生物被膜的厚度和粗糙度。
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  然而，重要的是，尽管生物被膜形态发生改变，但在2500 kPa US↑条件下，超声联合微泡对这些不同形态生物被膜的清除效率没有显著差异（均>85%），表明该方法对不同生长条件下的生物被膜均具有普适的清除能力。

3.4. 生物被膜的重复超声联合微泡处理

为了评估该方法处理更大面积生物被膜的潜力，研究人员在芯片上相距4毫米的两个区域进行了连续两次超声处理。

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  结果表明，无论两次处理之间是否补充新的微泡，第二次超声处理在各自焦域内的生物被膜清除效率与第一次处理相比均无显著差异。
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  全芯片成像显示，第一次超声处理已清除芯片上大部分小微泡，但大微泡依然存在并可被第二次超声激活。这进一步支持了大微泡在清除过程中的关键作用，并表明无需补充微泡即可实现对大面积的逐步处理，这对于未来临床应用中减少造影剂用量具有重要意义。

研究结论与讨论部分强调，该项工作明确了超声参数（特别是声压和声辐射力方向）对微泡介导的生物被膜清除效果的关键影响。首次通过高速成像等技术揭示了大于10微米的大尺寸微泡的平移运动，而非小微泡的瞬时破坏，是高效生物被膜清除的主要物理机制。此外，研究证实该方法对在不同蛋白质条件下生长的生物被膜均有效，且可通过重复处理覆盖更大面积。这些发现为优化超声联合微泡治疗生物被膜感染的方案提供了重要的理论和实验依据。展望未来，将这种物理清除方法与抗生素（如通过抗生素锁疗法）或载药微泡结合，有望在有效瓦解生物被膜结构的同时，增强抗生素渗透或直接杀灭细菌，从而为解决植入医疗器械相关感染这一临床难题开辟一条非抗生素或辅助抗生素治疗的新途径。研究的最终目标是在保证安全性的前提下，推动这一技术向临床翻译，例如利用现有临床超声设备的高能“爆破”模式或磁共振引导的高强度聚焦超声（HIFU）系统来实现精准治疗。