混合电荷刷状聚合物Dex-G15E15穿透并破坏生物膜治疗气管导管相关感染的研究

为解决气管导管相关生物膜感染(ETTABIs)导致的呼吸机相关性肺炎(VAP)高死亡率难题，研究人员开发了具有刷状结构和混合电荷侧链的聚合物Dex-G15E15。该材料通过穿透生物膜基质、破坏胞外聚合物(EPS)和细菌膜的双重机制，24小时内清除90%以上铜绿假单胞菌生物膜，并在小鼠模型中显著抑制肺部感染和炎症反应，为临床抗生物膜治疗提供新策略。

　　

在重症监护病房(ICU)中，呼吸机相关性肺炎(VAP)因其13%的高死亡率成为临床棘手难题。问题的核心在于气管导管表面形成的铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)生物膜——这些被胞外聚合物(EPS)包裹的细菌群落能抵抗抗生素和免疫攻击。现有解决方案如抗菌涂层、气溶胶抗生素等，或成本高昂，或易引发耐药性。更棘手的是，传统阳离子材料虽能靶向带负电的生物膜，却对哺乳动物细胞具有毒性；而阴离子材料又因电荷排斥难以穿透生物膜。

针对这一困境，中国研究团队创新性地设计出混合电荷刷状聚合物Dex-G₁₅E₁₅。该材料以葡聚糖(Dextran)为主链，侧链交替修饰胍基化L-赖氨酸和L-谷氨酸，形成独特的"电荷 mosaic"结构。这种设计既保留阳离子片段对细菌膜的破坏能力，又通过阴离子片段降低毒性，其刷状拓扑结构更赋予优异的生物膜穿透性能。

研究采用开环聚合与侧链修饰相结合的技术路线，系统考察了氨基酸组成、阳离子种类和拓扑结构对抗生物膜活性的影响。通过小鼠气管插管模型验证疗效，并采用荧光标记、电镜观察等技术阐明作用机制。

主要研究结果

1. 材料特性优化：Dex-G₁₅E₁₅自组装成20-50 nm的混合电荷纳米颗粒，其表面电荷动态变化特性使其既能穿透生物膜基质，又能有效吸附细菌。
2. 双重作用机制：胍基通过静电作用破坏EPS结构，相邻侧链协同作用穿孔细菌膜，电镜显示处理后的细菌出现明显的膜结构损伤。
3. 体外高效清除：对72小时成熟生物膜的清除率是对照抗生素(头孢他啶、妥布霉素)的3倍，且不易诱导耐药性。
4. 体内治疗效果：气管内给药后，小鼠肺部细菌载量降低2个数量级，炎症因子IL-6、TNF-α水平下降60%以上。

结论与展望
该研究突破传统抗菌材料的局限性，首次实现生物膜穿透与杀菌功能的有机统一。Dex-G₁₅E₁₅的独特之处在于：(1)通过电荷平衡设计解决材料毒性与功效的矛盾；(2)刷状结构产生的"侧链协同效应"显著增强膜破坏能力；(3)可规模化生产的合成路线。这项工作为VAP治疗提供新思路，其设计原理可拓展至导管、植入物相关感染等领域。未来研究将聚焦于聚合物雾化给药方案的优化及长期安全性评价。论文发表于《Acta Biomaterialia》，通讯作者为Lichen Yin和Shifang Luan团队。