封面艺术说明了超声波介导的药物输送到生物膜感染的伤口。图片来源:Ella Marushchenko
慢性伤口是指持续的开放性溃疡或不能正常愈合的受损组织，由于细菌感染，如金黄色葡萄球菌或金黄色葡萄球菌，对治疗构成了重大挑战。当这些细菌对抗生素具有耐药性时，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)，这是医院环境中严重感染的主要来源，情况就更加复杂了。
学分:北卡罗来纳大学微生物学和免疫学系
为了保护自己免受人类免疫系统和其他潜在威胁的侵害，金黄色葡萄球菌可以聚集在一起形成一种被称为生物膜的光滑而粘稠的盾牌。生物膜屏障非常厚，以至于免疫细胞和抗生素都无法穿透并中和有害细菌。
北卡罗来纳大学医学院和北卡罗来纳大学-北卡罗来纳州立大学生物医学工程联合系的研究人员开发了一种新方法，将棕榈油酸、庆大霉素和非侵入性超声结合起来，帮助改善金黄色葡萄球菌感染的慢性伤口的药物输送。
利用他们的新策略，研究人员能够将糖尿病小鼠伤口中具有挑战性的MRSA感染减少94%。他们能够完全消毒几只老鼠的伤口，其余老鼠的细菌负担明显减少。他们的研究结果发表在《细胞化学生物学》杂志上。
“当细菌没有从慢性伤口中完全清除时，它会使患者处于感染复发或继发感染的高风险中，”资深作者，微生物学和免疫学系的研究副教授Sarah Rowe-Conlon博士说。“这种治疗策略有可能改善结果，减少患者慢性伤口感染的复发。我们对将其转化为临床的潜力感到兴奋，这就是我们现在正在探索的。”
生物膜是许多种类抗生素的物理屏障。Virginie Papadopoulou博士是北卡罗来纳大学-北卡州立大学生物医学工程系的研究助理教授，她很想知道非侵入性空化增强超声是否能产生足够的搅动，在生物膜上形成开放空间，以促进药物输送。
学分:UNC-NCSU联合生物医学工程系
可以被超声波激活的液滴，称为相变造影剂(PCCAs)，被局部涂抹在伤口上。超声波换能器聚焦在伤口上并打开，使液滴内的液体膨胀，变成微小的充满气体的微气泡，然后迅速移动。
这些微泡的振荡搅动了生物膜，既在机械上破坏了生物膜，又增加了流体的流动。最终，生物膜的破坏和药物通过生物膜的渗透性增加的结合使药物能够进入并以非常高的效率杀死细菌生物膜。
“微泡和相位变化造影剂作为超声能量的局部放大器，使我们能够精确地瞄准伤口和身体部位，以达到标准超声无法达到的治疗效果，”代顿说，他是北卡罗来纳大学和北卡州立大学生物医学工程系联合系主任兼威廉·r·凯南杰出教授。“我们希望能够使用类似的技术将化疗药物局部输送到顽固的肿瘤中，或者将新的遗传物质注入受损细胞中。”
当细菌细胞被困在生物膜中时，它们几乎无法获得营养和氧气。为了保存它们的资源和能量，它们进入休眠或困倦状态。在这种状态下，这种细菌被称为持久性细胞，对抗生素具有极强的耐药性。
研究人员选择了庆大霉素，这是一种局部抗生素，由于广泛的抗生素耐药性和对持久性细胞的活性差，通常对金黄色葡萄球菌无效。研究人员还在他们的模型中引入了一种新的抗生素佐剂棕榈油酸。
棕榈油酸是一种不饱和脂肪酸，是人体的天然产物，具有很强的抗菌性能。这种脂肪酸可以嵌入细菌细胞的膜中，作者发现它有助于抗生素成功进入金黄色葡萄球菌细胞，并能够杀死持久性细胞并逆转抗生素耐药性。
总的来说，该团队对这种新的局部、非侵入性方法充满热情，因为它可以为科学家和医生提供更多的工具来对抗抗生素耐药性，并减轻口服抗生素的严重副作用。
“全身抗生素，如口服或静脉注射，效果很好，但通常有很大的风险，如毒性，消灭肠道微生物群和艰难梭菌感染，”罗-康伦说。“使用这个系统，我们能够使局部药物起作用，它们可以以非常高的浓度应用于感染部位，而没有全身输送的风险。”
参考文献:《克服生物障碍改善治疗一种葡萄球菌伤口感染》，作者:Virginie Papadopoulou, Ashelyn E. Sidders, Kuan-Yi Lu, Amanda Z. Velez, Phillip G. Durham, Duyen T. Bui, Michelle Angeles-Solano, Paul a . Dayton和Sarah E. Rowe, 2023年5月5日，细胞化学生物学。DOI: 10.1016 / j.chembiol.2023.04.009
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