三重功能噬菌体激活钛植入体在小鼠败血症模型中的生物活性研究及系统性感染控制机制

这篇开创性研究开发了一种模块化三重功能钛植入体涂层（Phage-LIS），通过整合细菌排斥（LIS）、噬菌体杀菌（P32-E79 phage cocktail）和胶原促组织整合功能，在体外实现3.2 log的铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）表面负荷降低，并在小鼠败血症模型中达成100%存活率。该技术突破性地证明局部植入的噬菌体生物材料可通过血液循环实现系统性感染控制，为植入物相关感染（IAIs）防治提供了革命性解决方案。

　　

1 引言

植入物相关感染（IAIs）是骨科和牙科植入失败的主因，甚至心脏植入物1-6%的低感染率也可导致27.5%的高死亡率。传统抗生素治疗面临生物膜形成和耐药性挑战，而噬菌体（phage）因其特异性杀菌、自我复制和降解胞外基质（ECM）能力成为理想替代方案。本研究创新性地将噬菌体P32-E79鸡尾酒与胶原共沉积于氟硅烷处理的钛表面，再灌注全氟化润滑剂（PFPP），构建出兼具细菌排斥（接触角≈120°）、杀菌和组织整合三重功能的Phage-LIS涂层系统。

2.1 噬菌体激活涂层的疏水与润滑特性

通过等离子体处理和气相沉积（CVD）构建的TPFS/GPTMS（20:1）混合硅烷层，使含亲水性胶原和噬菌体的涂层仍保持疏水性（接触角≈120°）。添加PFPP润滑剂后，水滑动角<5°，形成稳定液体灌注界面（LIS）。这种设计突破传统LIS组织整合性差的局限，通过环氧硅烷（GPTMS）共价连接胶原和噬菌体，实现功能模块的稳定锚定。

2.2 涂层促进成骨细胞增殖并抑制细菌生长

SAOS-2成骨细胞实验显示，Phage-LIS组的细胞铺展形态和密度与裸钛相当，显著优于传统LIS（p<0.05），碱性磷酸酶（ALP）活性无统计学差异。针对铜绿假单胞菌PAO1，Phage-LIS在6小时即实现表面2.23 log（99.4%）和浮游菌3.39 log（99.96%）的减少，24小时效果提升至3.2 log。值得注意的是，噬菌体在溶液中从0激增至10¹¹ PFU mL^-1，证实其自我扩增优势。

2.3 皮下植入感染小鼠模型开发

通过生物发光PAO1-lux菌株建立梯度感染模型发现，10⁶-10⁷ CFU组出现60%死亡率（雌性更敏感），而10⁵ CFU以下组全部存活。该模型揭示细菌负荷与死亡率呈正相关（p<0.01），为后续极端条件测试奠定基础。

2.4 Phage-LIS涂层在败血症生存模型中的卓越表现

在10⁸ CFU的致死剂量下，Phage-LIS组7天存活率达100%，显著优于LIS（30%）和裸钛（10%）组（p<0.001）。关键发现包括：

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  血液检测仅见噬菌体（≈10³ PFU mL^-1）而无活菌

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  SEM显示植入体表面几乎无细菌定植

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  尽管肝脾细菌载量未显著降低，但显著延缓脓毒症进程

  模块化设计延伸至金黄色葡萄球菌靶向（P68-Remus phage），在6小时内对MRSA菌株SAP227实现表面4.1 log和浮游菌5.2 log的惊人减少。

3 结论

这项研究突破性地证明：局部植入的噬菌体生物材料可通过血液循环发挥系统性保护，其三重功能协同机制——氟化层排斥病原体、噬菌体裂解突破防线的细菌、胶原促进组织整合——为临床植入物感染防治提供全新范式。尤其值得注意的是，该技术对多重耐药菌的控制效果，为后抗生素时代开辟了新路径。