《MicrobiologyOpen》：Nanomedicine Strategies Against Biofilm-Associated Infections: Advances, Challenges, and Translational Barriers
编辑推荐：
本综述系统阐述了纳米医学在对抗生物膜感染领域的最新进展，重点探讨了纳米颗粒（NPs）在增强抗生素穿透性、改善药物稳定性及靶向递送方面的独特优势，同时深入分析了其在合成放大、药物负载效率、临床前模型、抗菌素耐药性（AMR）及生物分布与毒性等方面面临的转化挑战（如PLGA、ECM等），为开发下一代抗生物膜疗法提供了关键见解。
图形摘要
探索纳米医学在生物膜治疗中的关键挑战与局限性，从药物负载效率到抗菌素耐药性。
摘要
抗菌素耐药性（AMR）在全球范围内持续上升，生物膜相关感染通过对抗生素的持续耐受和免疫逃逸加剧了临床负担。生物膜是嵌入保护性细胞外基质中的结构化微生物群落，是许多慢性和复发性感染的基础，包括心内膜炎、尿路感染、囊性纤维化肺病和器械相关感染。传统抗生素在这些情况下常常失效，而新型药物的研发管线仍然有限。因此，纳米技术已成为一种有前景的替代方案，其独特的物理化学特性能够增强对生物膜基质的穿透性、提高药物稳定性并实现治疗剂的靶向递送。多种纳米系统，包括金属、聚合物、脂质基和配体功能化平台，已在体外和体内显示出令人鼓舞的结果，与传统疗法相比，表现出卓越的生物膜破坏和细菌根除能力。然而，将这些进展转化为临床实践仍然充满挑战。关键障碍包括复杂且昂贵的合成、良好生产规范（GMP）下的可放大性、有限的药物负载效率、临床前生物膜模型的变异性、监管不确定性以及纳米颗粒（NP）诱导的毒性、不可预测的生物分布和潜在耐药性发展的风险。此外，纳米颗粒、宿主体液和生物膜细胞外基质之间的动态相互作用使药代动力学和药效学的可预测性复杂化。解决这些障碍需要协调努力，以改进制造工艺、标准化生物膜模型并实施纳米特异性监管框架。经过精心优化，纳米医学有潜力重新定义生物膜相关感染的治疗格局。
1 引言
抗菌素耐药性（AMR）已成为我们这个时代最紧迫的医学挑战之一，现已被欧盟委员会的健康应急准备和响应当局正式认定为公共卫生的三大威胁之一。全球负担令人震惊：仅2019年，就有近500万死亡与细菌对抗生素的耐药性相关。在美国，疾病控制与预防中心估计每年发生超过280万例耐药感染，导致数万人死亡。AMR通过自然基因突变和水平基因转移发展，但其速度因不当处方、人类和动物的过度使用以及不足的感染控制措施而急剧加快。加剧这一问题的是许多微生物形成生物膜的非凡能力，这种致密、结构化的微生物群落提供了一个保护性环境， drastically 降低了对抗菌药物的敏感性，并保护它们免受宿主免疫反应的攻击。
传统的药物开发 alone 未能跟上这一不断升级的威胁。由于与其他治疗市场相比财务回报有限，制药部门已降低抗生素发现和生产的优先级。尽管在欧洲、英国和美国有持续的计划通过资助项目和政策激励来刺激抗菌创新，但新抗生素的管线仍然稀疏。这一现实凸显了对替代治疗策略的需求。鉴于AMR和生物膜形成共享重叠的生存机制，例如外排泵激活、水平基因转移和代谢休眠，有效解决AMR需要能够克服这些生物膜相关防御的治疗系统。这种趋同将纳米医学定位为一种补充方法，能够靶向传统抗生素 alone 无法克服的生物膜相关防御。
一种有前景的方法是将纳米技术整合到微生物生物膜的研究和治疗中。纳米颗粒（NPs）因其独特的物理和化学性质而引起了极大的兴趣。其极小的尺寸（通常从几纳米到微米）使其能够比传统药物更有效地渗透生物膜基质，改善药物递送并增强根除效果。此外，NPs相对于其体积的高表面积提供了更大的反应性，并能够有效负载活性分子，如抗生素、肽或酶。通过将治疗化合物封装或附着在纳米系统中，可以优化药代动力学和药效学特征，增强溶解度和稳定性，并最大限度地减少降解，从而降低全身毒性。此外，用特定配体进行功能化可以精确地将NPs导向生物膜部位，增加局部药物浓度并促进更深层的穿透。
然而，从实验室发现到临床应用仍然具有挑战性。存在相当大的障碍，特别是简化的体外模型与体内生物膜感染的复杂性之间的差距。尽管对抗菌和抗生物膜药物进行了广泛研究，但大多数现有疗法仍限于破坏基质完整性或抑制群体感应，并且在体内对成熟或多微生物生物膜 largely 无效。当前的药理学和物理干预措施无法穿透致密的细胞外聚合物基质、消除持久菌或在治疗停止后防止快速再定植。因此，在传统的抗生物膜策略与生物膜群落的复杂防御机制之间存在着巨大的治疗差距。整合纳米医学方法提供了一个合理的框架，通过实现靶向药物递送、增强生物膜穿透和在感染部位控制释放来弥合这一差距。因此，本综述旨在探讨基于纳米技术的抗生物膜疗法的潜力，强调所取得的进展，并批判性地讨论限制其临床应用的最新障碍。
2 生物膜与抗生物膜疗法
生物膜并非罕见现象；它们代表了细菌和古菌的主要生活方式，占据了地球上大多数微生物生命。与它们的浮游或自由漂浮对应物不同，生物膜中的微生物获得了以生存为导向的特性，使其具有显著的持久性。在临床环境中，这转化为对抗菌药物的抵抗力增强和免疫防御的逃避，使得感染 notoriously 难以治疗和根除。因此，生物膜相关感染显著促进了疾病的慢性和严重性，例如感染性心内膜炎、尿路感染、囊性纤维化肺病、慢性伤口、炎症性肠病和慢性阻塞性肺病等。
2.1 生物膜的定义与组成
生物膜本质上是一个三维（3D）的微生物联盟，彼此粘附并嵌入自我产生的细胞外聚合物基质中。该基质通常由多糖、蛋白质、细胞外DNA以及其他物质如脂质或纤维素组成，创建了一个支持微生物群落的坚固支架。其结构是动态的，受温度、压力、离子强度和流体剪切力等环境因素的影响。根据这些条件和生物膜的成熟度，细胞外基质（ECM）可以从松散分散的凝胶到致密紧凑的结构。历史上，生物膜被定义为附着于生物表面（如牙齿或粘膜组织）或非生物医疗设备（如导管）上的微生物层。然而，最近的研究认识到，即使非附着的微生物聚集体也可以起到生物膜的作用。这些悬浮的簇团与清除机制受损的呼吸道感染和持续性软组织感染有关。同样重要的是认识到生物膜通常是多微生物的，而不是单一物种的。在这些混合群落中，不同的微生物相互作用、合作或竞争，通常增强对抗菌疗法的集体弹性并抑制宿主免疫反应。这种多微生物组织不仅有助于提高耐受性，而且有助于增加感染的毒力和持久性。
2.2 生物膜的生命周期
生物膜的形成不是一个随机事件，而是一个严格调控的过程，涉及不同的发育阶段。微生物经历深刻的表型转变，改变其代谢活性、基因表达和结构组织，这取决于物种特性和周围条件。尽管生物膜形式多样，但研究人员通常将生命周期描述为三个一般阶段：初始聚集和附着到表面或彼此；随后的生长和积累，以基质产生和群落扩张为标志；以及最终的解聚或分散，在此期间细胞被释放以定植新环境。这个动态循环确保了在已建立生态位内的稳定性以及传播到新的生态或临床位点的适应性。
生物膜发展的第一步，称为聚集和附着，始于自由漂浮（浮游）的微生物遇到表面，或者在非表面相关生物膜的情况下，直接彼此附着形成小簇。这个看似简单的接触启动了一个深刻的细胞转化。在这个阶段，微生物经历广泛的转录重编程，停止由鞭毛驱动的运动，开启作为生物膜基质结构骨架的胞外多糖的产生，并激活与AMR相关的基因。一旦锚定，群落扩张并演变成一个成熟的3D结构。在这个结构内，氧气、营养物质、废物产物和信号分子出现尖锐的梯度。这些梯度促进了不同微生物亚群的出现，每个亚群都适应其局部微环境。在这些亚群中，临床最相关的是“持久菌”。这些细胞分裂非常缓慢或根本不分裂，使它们对抗菌疗法具有高度耐受性。重要的是，它们充当了一个储存库，能够在治疗停止后重新播种生物膜，从而维持慢性感染。循环的最后阶段，称为解聚和分散，涉及单个浮游细胞或成熟生物膜的较大片段的脱离。这些释放的元素传播到新的位置，完成生物膜生命周期并在其他地方启动定植。这个动态过程不仅确保了在已建立生态位内的持久性，而且确保了感染持续传播到新的宿主组织或医疗设备。
2.3 生物膜的检测与研究：体外和体内模型
尽管专业学会如欧洲临床微生物学和传染病学会（ESCMID）和美国传染病学会（IDSA）定期发布专家指南，但目前仍没有诊断生物膜相关感染的通用临床标准。在实践中，检测仍然是一个艰巨的挑战。许多生物膜相关感染在很长一段时间内悄无声息地进展，仅在血流受累时才变得明显。当生物膜在植入设备上定植时，通常只有在手术移除后才能识别，即使在那时，从致密基质中分离存活的微生物细胞在技术上也是具有挑战性的。此外，一些微生物在实验室条件下 notoriously 难以培养，导致常规诊断测试出现假阴性结果。另一个复杂因素是，抗菌药物敏感性测试几乎总是在浮游细菌培养物上进行，这显著低估了真实生物膜相关感染中观察到的耐药水平。
为了克服这些障碍，已经开发了广泛的实验室模型。体外系统提供了简化但多功能的平台，用于培养临床分离株的生物膜和筛选潜在的治疗药物。其中最常用的是静态模型，例如微孔板测定或卡尔加里生物膜设备。它们成本低，允许同时测试多种菌株和条件，并且技术简单。然而，它们的主要缺点是不能很好地复制实际感染的动态环境。相比之下，动态模型，如流动室或罗宾斯装置，通过引入营养流和剪切应力更好地模拟体内条件。虽然技术要求更高且通量较低，但这些系统提供了更生理相关的数据。最近的进展产生了基于微流体的平台，这些平台将动态生物膜培养系统微型化。这些设备，如Bioflux系统或BiofilmChip，减少了试剂消耗，提供了高实验灵活性，并且相对容易制造。微流体还允许精细控制流体动力学和空间梯度，提供了更接近自然生物膜条件的近似，同时保持适应高通量筛选的能力。
动物模型对于验证实验室发现和阐明宿主对感染动态的贡献仍然是不可或缺的。已经使用了多种物种和程序，使得跨研究直接比较复杂化，但某些疾病特异性模型已经得到很好的建立。例如，啮齿动物模型常用于慢性中耳炎、不愈合伤口、鼻窦炎和骨髓炎。这些体内系统对于评估免疫反应、在生理相关背景下测试抗菌策略以及弥合实验研究与临床转化之间的差距特别有价值。
2.4 生物膜治疗策略概述
生物膜生长模式提出了巨大的治疗挑战。与自由生活的细菌不同，生物膜嵌入的细胞表现出多种保护机制，使得传统抗菌药物的效果 far less 有效。ECM本身阻碍抗生素和消毒剂的渗透，减少了药物到达最深层的机会。此外，生物膜内的代谢梯度创造了异质的微环境：靠近表面的细胞可能活跃分裂，而更深层的细胞通常采用缓慢生长或休眠状态，使其 intrinsically 对抗菌攻击反应较差。其他防御机制包括细胞包膜的改变、酶产生的改变以及主动排出治疗化合物的多药外排泵的上调。水平基因转移进一步加速了生物膜群落内耐药性状的传播。综上所述，这些特征解释了为什么生物膜相关感染如此持久，以及为什么传统疗法 frequently 无法实现完全根除。
鉴于这些障碍，医学和科学界正在积极探索替代或补充的治疗方法。正在研究的策略范围从破坏生物膜基质的药物，到抑制群体感应的分子，再到创新的递送平台，如增强抗菌穿透的NPs。物理和机械方法，包括超声波、光动力疗法和电刺激，也作为辅助方法被研究。本综述的以下部分旨在根据其主要作用机制对这些治疗策略进行清晰概述，同时将其置于生物膜管理的更广泛背景中。
2.4.1 生物膜的物理清除
管理生物膜感染最直接且历史上最古老的方法是直接物理清除。这种策略在与医疗设备相关的感染中尤其相关，在开始抗菌治疗之前，移除受污染的植入物或导管通常是第一步也是最有效的步骤。在这种情况下，清除异物 dramatically 减少了微生物负荷并增强了抗生素的疗效。类似地，在口腔生物膜、感染伤口或关节感染等情况下，临床管理通常包括用水流冲洗或外科清创，以在药物治疗前机械减少生物膜生物量。然而，这种方法的实用性高度依赖于具体情况，因为其成功取决于感染部位的可及性、干预的侵入性以及患者的整体健康状况。
2.4.2 生物膜的结构破坏
认识到纯粹机械方法的局限性，已经开发了直接破坏生物膜结构完整性的策略。通过靶向ECM，即包围微生物群落的保护性自我产生的支架，可以削弱生物膜稳定性，增强脱离，并使嵌入的细菌更容易受到抗菌药物的攻击。其中最有前途的药物是特异性降解基质成分的酶，包括那些来源于噬菌体的酶。实验室研究已经证明它们能够在相对较低的浓度下有效分解生物膜，并且与常规抗生素相比，具有降低耐药性发展的额外优势。
然而，一个关键挑战在于ECM组成的可变性，这取决于微生物菌株、环境背景和生物膜成熟度。噬菌体衍生酶的高特异性虽然有益，但也限制了其适用性，除非事先知道致病生物。为了解决这些问题，研究人员正在探索组合方法，例如针对多种基质成分的酶混合物，或将酶疗法与常规抗生素配对使用，特别是在复杂性更大的多微生物感染中。一些基于酶的疗法，如分散素B和Pulmozyme，已经进入临床使用，尽管安全性问题和潜在的细胞毒性仍然是更广泛应用障碍。除了酶之外，其他药物如胞外多糖和钙螯合分子可以通过破坏离子相互作用和诱导生物膜分散来 destabilize ECM，从而改善药物可及性和整体治疗效果。
2.4.3 抗菌药物
第二种治疗方法是侧重于通过直接诱导微生物死亡来减少生物膜生物量。重要的是，一种药物在浮游培养物中的抗菌效力并不能保证其对生物膜嵌入细菌同样成功。尽管如此，许多天然和合成化合物已被证明具有抗生物膜活性，其中一些来源于植物或微生物次级代谢产物。新策略还包括诱导应激的疗法，促进活性氧和活性氮物种的细胞内积累。例子包括抗生素-氮氧化物 hybrids、光动力疗法、电或电压 based 刺激以及结合水 electrosprays 的等离子体技术。这些干预措施破坏了微生物的稳态，并在生物膜深处施加细胞毒性作用。
此外，药物重定位努力发现了最初为其他治疗领域设计的药物具有意想不到的抗生物膜特性，包括肿瘤药物。虽然其中一些药物在根除生物膜方面显示出令人印象深刻的功效，但其有效浓度通常显著高于其主要适应症批准的浓度，造成了转化障碍。生物策略，如噬菌体疗法和使用捕食性细菌，提供了替代途径。噬菌体可以选择性地感染和裂解形成生物膜的细菌，而捕食性微生物可以直接攻击致病物种。用于慢性伤口感染的噬菌体混合物，如pyocyanin（PYO），已经上市。然而，捕食性细菌的使用仍处于实验阶段，对宿主
