靶向细菌性阴道病的双重疗法：基于3D打印支架的抗生素-益生菌联合递送系统的实验与计算模型研究

为解决细菌性阴道病(BV)高复发率和现有抗生素疗法破坏阴道微环境平衡的问题，研究人员通过3D打印支架递送甲硝唑(MET)和卷曲乳杆菌(L. crispatus)，结合实验与计算模型验证了双重疗法在抑制致病菌(Gardnerella)和恢复益生菌群中的协同作用，为个性化治疗设计提供了新策略。

　　

细菌性阴道病(BV)是一种全球约23%-29%女性受影响的常见生殖道感染，其特征是阴道菌群失衡，表现为乳酸杆菌减少、厌氧菌过度增殖及pH值升高。传统抗生素疗法虽能短期缓解症状，但80%患者在9个月内复发，部分归因于药物耐药性、生物膜形成及对有益菌群的误伤。更棘手的是，单一抗生素可能进一步破坏微环境平衡，而单独使用益生菌则面临给药频率高、依从性差的挑战。如何同时根除病原体并重建健康菌群，成为BV治疗的核心难题。

针对这一挑战，国外研究团队在《Biomedical Engineering Advances》发表了一项创新研究，通过3D打印技术开发了兼具抗生素和益生菌的双功能支架，并建立实验-计算联合平台评估其疗效。该支架采用硅胶外壳装载MET和聚乙烯氧化物(PEO)内核包裹L. crispatus，通过控制释放实现序贯治疗。研究结合体外细菌竞争实验（测定生长曲线、葡萄糖摄取及pH变化）与多尺度计算模型（模拟阴道几何结构、营养代谢和药物扩散动力学），系统分析了双重疗法的协同机制。

主要技术方法

1. 体外竞争实验：在可控葡萄糖浓度下培养Gardnerella和L. crispatus，定量检测OD₆₀₀、乳酸产量及pH变化；
2. 3D打印支架构建：采用压力辅助生物打印技术制备双腔室支架，外腔含MET，内腔含L. crispatus生物墨水；
3. 计算模型开发：基于有限元方法模拟阴道解剖结构（上皮层/基质/管腔）及药物-细菌-营养交互网络，参数校准来自实验数据；
4. 敏感性分析：评估不同MET和L. crispatus剂量组合对菌群平衡的影响。

研究结果
3.1 生长动态与代谢物量化
实验显示L. crispatus在低葡萄糖(<2 mg/mL)下通过高效摄取（0.0288 mg/mL/OD/day）和产酸能力压制Gardnerella（0.003 mg/mL/OD/day），8小时内pH从7.0降至4.5；而高葡萄糖(>5 mg/mL)时Gardnerella凭借更高承载量占据优势。这揭示了营养竞争是菌群平衡的关键调节因素。

3.3 计算模型验证
模型精准复现了MET的缓释曲线（15天释放40%）和L. crispatus的恢复动态（36% CFU增长），与实验数据误差<18%。双重治疗可使Gardnerella降低2 log CFU/mL，与体外结果一致。

3.4 支架疗效模拟
单药治疗局限：10倍标准剂量(X)的MET仅将Gardnerella抑制至4.5 log CFU/mL，且抑制L. crispatus生长；单独10X益生菌虽提升乳酸产量(pH 3.5)，但无法减少Gardnerella存量。
双重协同效应：10%X剂量联合治疗即实现Gardnerella下降25%，L. crispatus占比升至99.99%，乳酸达5.5 mg/mL，pH稳定于3.5。低剂量协同效果优于单药高剂量。

讨论与结论
该研究首次通过计算模型量化了葡萄糖浓度梯度下BV病原体与益生菌的竞争动力学，证实双重疗法可通过“抑菌-促菌-酸化”三级机制重塑微环境：MET直接杀伤Gardnerella，L. crispatus则通过快速消耗葡萄糖和分泌乳酸创造酸性屏障。3D打印支架的序贯释放设计克服了传统疗法依从性差和益生菌存活率低的痛点。

局限性包括未纳入其他菌种（如L. iners）的相互作用及宿主免疫因素。未来需在更复杂的多菌种模型和体内试验中验证。这项研究为开发靶向微环境的个性化BV疗法提供了新范式，其“计算指导实验”的方法也可拓展至其他微生物组相关疾病的治疗设计。