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为解决慢性感染中细菌生物膜对抗菌药物耐受性增强的难题，研究人员开展了超声响应纳米级药物递送平台（纳米液滴）的研究。结果显示该平台能同时破坏生物膜并靶向递送抗菌药物，显著降低所需抗菌浓度，为慢性临床感染治疗开辟新途径。
在医疗领域，细菌感染一直是个棘手的问题，尤其是慢性感染，更是让医生们头疼不已。这是因为在慢性感染中，细菌会形成一种特殊的结构 —— 生物膜（bacterial biofilms）。生物膜就像是细菌的 “坚固堡垒”，由细菌自身分泌的胞外多糖（EPS）等物质构成。这个 “堡垒” 不仅能阻挡传统抗菌药物的进攻，还能保护里面处于休眠状态的细菌，让它们逃避药物的 “追杀”。同时，细菌在生物膜内还能通过群体感应（quorum sensing）进行交流，共同对抗外界的威胁。因此，很多传统的抗菌药物在面对生物膜时，往往显得 “无能为力”，常规剂量根本无法有效发挥作用。这就导致医生们在治疗慢性感染时，常常需要采用侵入性的手术干预，比如治疗糖尿病溃疡；或者让患者长期服用高剂量的抗生素，像治疗囊性纤维化和尿路感染。但这些方法都存在诸多弊端，手术有风险，长期高剂量使用抗生素又容易引发耐药性等问题。所以，寻找一种更有效的治疗慢性感染的方法迫在眉睫。
为了攻克这一难题，来自英国牛津大学（University of Oxford）的研究人员 Victor Choi、Dario Carugo 和 Eleanor Stride 开展了一项极具创新性的研究。他们致力于开发一种超声响应的纳米级药物递送平台（纳米液滴，nanodroplets），并将其研究成果发表在了《npj Antimicrobials and Resistance》杂志上。这项研究意义重大，有望为慢性感染的治疗带来新的曙光。
研究人员在开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，他们通过一系列复杂的化学反应合成了负载不同抗菌药物的纳米液滴，这些抗菌药物包括钌多吡啶配合物、阿奇霉素、贝西沙星和多粘菌素 B 等。为了确保纳米液滴的质量和性能，他们对其进行了全面的表征，使用了干涉测量法、动态光散射（DLS）和电阻抗体积区传感（Coulter Counter）等技术来测定纳米液滴的大小、浓度和稳定性。在研究抗菌活性时，他们采用了多种实验方法，如肉汤微量稀释法测定浮游菌的抗菌活性，改良的卡尔加里生物膜装置培养生物膜并检测其对抗菌药物的敏感性等。此外，还利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析技术来研究抗菌药物在细菌亚细胞 compartments 的摄取情况。临床分离菌株则来源于英国三家医院信托机构先前的研究。
下面来详细看看研究结果：
- 抗菌药物负载纳米液滴平台的开发和表征：研究人员以临床批准的造影剂（Definity RT?）为基础，合成了磷脂包被的纳米液滴，并分别负载了四种具有不同抗生物膜作用机制的抗菌药物。通过多种技术手段对纳米液滴进行表征后发现，纳米液滴的大小和浓度可以精确控制，平均流体动力学直径在 125nm 至 250nm 之间，明显小于微泡。而且，在负载抗菌药物时，需要选择合适的浓度，40mol% 的负载浓度既能保证抗菌药物的含量，又能维持纳米液滴的结构完整性、超声响应性和稳定性。此外，实验观察到纳米液滴在特定超声条件下会发生汽化，形成微泡。
- 抗菌药物负载纳米液滴对临床分离浮游菌的活性：研究人员对十种临床细菌分离株进行了评估，包括大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等。实验结果表明，纳米液滴包封抗菌药物后，部分药物的生物利用度会降低，但在聚焦超声（FUS）的作用下，抗菌效果会显著增强。例如，阿奇霉素负载的纳米液滴（AZ-NDs）在 FUS 作用下，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的代谢 MIC 和 MBC 显著降低。贝西沙星、多粘菌素 B 和钌多吡啶配合物负载的纳米液滴也呈现出类似的趋势，这表明纳米液滴和超声联合使用能够有效增强抗菌药物对革兰氏阳性和革兰氏阴性病原体的活性。
- 抗菌药物负载纳米液滴对临床分离生物膜的活性：由于生物膜容易重新定植，传统的平板计数技术存在局限性，研究人员采用了多种检测方法来确定最低生物膜根除浓度（MBEC）。研究发现，超声单独作用可以减少生物膜的生物量，未负载药物的纳米液滴单独使用也有一定的生物膜分散能力。而负载抗菌药物的纳米液滴在超声的协同作用下，能够显著提高抗生物膜活性。例如，阿奇霉素负载的纳米液滴（AZ-ND/FUS）对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生物膜的 MBEC 大幅降低，几乎达到了浮游菌 MBC 的水平。其他抗菌药物负载的纳米液滴也有类似的效果，并且对持留菌（persister cells）也有较好的清除作用。
- 不同临床生物膜感染的治疗效果：为了验证纳米液滴 - 超声系统（ND/FUS）在不同临床情况下的有效性，研究人员在多种模拟临床状态的人工培养基中培养成熟生物膜进行研究。结果显示，超声单独处理虽然能促进生物膜细胞的分散和持留菌的复苏，但杀菌效果不佳。而贝西沙星负载的纳米液滴在超声作用下（BES-ND/FUS），对分散和附着的细菌都有显著的抗菌活性，几乎能消除所有持留菌，大大降低了超声介导的生物膜分散可能引发的败血症风险。
- 浮游菌药物摄取的亚细胞定量：为了探究 ND/FUS 增强抗菌效果的机制，研究人员利用新建立的基于 ICP-MS 分析的方法，研究了抗菌药物在细菌亚细胞 compartments 的内化情况。结果发现，纳米液滴包封抗菌药物后，细菌对药物的总体摄取量增加，并且药物在亚细胞 compartments 的分布发生了变化。例如，阿奇霉素在纳米液滴包封后，从主要定位于细胞壁转变为主要定位于膜结合部分，且细胞质中的摄取量也有所增加。钌配合物在纳米液滴包封后，在细胞质中的内化量比游离药物高得多。这表明纳米液滴能够克服药物颗粒大小的限制，促进细胞内化和细胞质递送。
- 生物膜药物摄取的亚细胞定量：在生物膜相关细菌群体中，抗菌药物的摄取和分布与浮游菌有所不同。虽然生物膜中细菌对抗菌药物的总体摄取量相对浮游菌有所减少，但归一化到细胞数量后，发现生物膜内细菌对抗菌药物的摄取量显著增加。纳米液滴包封抗菌药物后，能进一步增强药物在生物膜内细菌的积累和细胞内分布。例如，纳米液滴包封的抗菌药物在生物膜内细菌的细胞质中的积累比游离药物高 11.1 倍，这可能是纳米液滴负载抗菌药物对生物膜内细菌杀伤作用增强的原因。
研究结论和讨论部分表明，该研究成功开发了一种刺激响应性药物递送平台，能够同时破坏生物膜并实现细胞内药物递送。纳米液滴的使用显著增强了抗菌药物在超声暴露前的亚细胞摄取，且优先在抗菌作用位点摄取。超声暴露后，生物膜基质被广泛分散，使得生物膜内的细菌能够在较低的药物浓度下被有效清除，即使是在尝试复苏后也是如此。这对于治疗慢性感染意义重大，因为药代动力学分析表明，大多数传统抗菌药物的血浆浓度可能不足以根除持留菌群体，而该研究中的 ND/FUS 系统有望解决这一问题。此外，该研究使用的是商业超声阵列和基于商业造影剂的配方，为临床转化提供了便利。而且，该系统还可以很容易地适应新型抗菌 / 抗生物膜化合物的递送，有助于降低耐药性的发展风险。总之，这项研究为慢性生物膜相关感染的治疗提供了一种有前景的新方法，有望在未来的临床治疗中发挥重要作用。
