仿生金属-药物配位纳米平台通过能量破坏逆转铜绿假单胞菌耐药性

《Nature Communications》：Biomimetic metal-drug coordination nanoplatform to counteract drug resistance in Pseudomonas aeruginosa via energy disruption

本研究针对铜绿假单胞菌耐药性难题，开发了一种新型仿生纳米平台（Ce-Car@EV NPs）。该平台通过整合生姜来源的细胞外囊泡（EVs）和pH响应的铈-羧苄西林配位纳米颗粒（Ce-Car NCPs），实现了在感染部位的靶向释放。释放的Ce4+离子通过破坏细菌ATP合成、阻碍氧化磷酸化并抑制外排泵活性，有效耗竭ATP、阻断外排，从而逆转细菌耐药性，恢复了羧苄西林（carbenicillin）对耐药铜绿假单胞菌的疗效，为对抗抗菌药物耐药性提供了新策略。

　　

在全球公共卫生领域，抗菌药物耐药性的急剧蔓延正演变为一场无声的危机。曾经叱咤风云的抗生素，在“超级细菌”面前频频失效，让普通的感染再次变得致命。其中，铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）作为一种机会性病原体，尤其擅长在医院环境和免疫力低下的人群中引发严重感染，其固有的和后天获得的耐药机制使其成为临床治疗中最棘手的挑战之一。面对这一困局，科学家们开始将目光从研发全新的抗生素分子，转向如何让现有的“老药”重新焕发活力，即“逆转耐药性”。这就像是为一把生锈的锁找到了合适的钥匙，而非费力去打造一把全新的锁。那么，这把“钥匙”究竟在哪里？一项发表在《自然·通讯》上的研究，为我们提供了一个充满巧思的答案：一种模仿生命系统（仿生）的纳米平台，它像特洛伊木马一样潜入敌营，通过切断细菌的“能量供应”来瓦解其防御，最终让抗生素重拾战力。

为了攻克这一难题，研究人员巧妙地融合了仿生递送与金属离子生物学效应，构建了一个名为Ce-Car@EV NPs的智能纳米平台。该研究主要采用了以下关键技术方法：首先，利用生姜来源的细胞外囊泡作为天然仿生载体，以增强纳米颗粒的生物相容性和体内长循环能力。其次，通过金属-药物配位自组装技术，构建了pH响应型的铈-羧苄西林配位纳米颗粒（Ce-Car NCPs），使其能在感染部位的酸性环境中特异性降解释放活性成分。最后，通过体外抗菌实验、细菌能量代谢检测（如ATP水平、膜电位、活性氧ROS）、外排泵功能评估以及小鼠感染模型实验，系统验证了该纳米平台的协同抗菌机制与体内疗效。

研究结果

Ce-Car@EV NPs纳米平台的成功构建与表征

研究人员首先通过金属离子（Ce⁴⁺）与抗生素（羧苄西林， Car）的配位作用，自组装形成了尺寸均一的Ce-Car配位纳米颗粒。随后，他们将这种纳米颗粒装载入从生姜中提取的细胞外囊泡内部，最终得到了Ce-Car@EV NPs。表征结果显示，该纳米平台具有良好的分散性和稳定性。更重要的是，它展现出对酸性环境的敏感性，能够在模拟感染部位酸性条件的缓冲液中迅速降解，释放出Ce⁴⁺离子和羧苄西林，这是实现靶向治疗的基础。

Ce-Car@EV NPs在体外有效恢复对耐药铜绿假单胞菌的抗菌活性

面对耐羧苄西林的铜绿假单胞菌菌株，单纯的羧苄西林已经几乎无效。然而，实验表明，Ce-Car@EV NPs表现出了强大的协同抗菌作用。其最低抑菌浓度显著降低，表明抗菌效力大幅提升。时间-杀灭曲线进一步证实，该纳米平台能在数小时内有效清除细菌，而单独的抗生素或载体则效果甚微。这表明，纳米平台中的某种成分有效逆转了细菌的耐药性。

Ce⁴⁺离子通过破坏能量代谢逆转耐药机制

为了揭示协同作用的本质，研究人员深入探究了Ce⁴⁺离子的作用机制。他们发现，进入细菌细胞的Ce⁴⁺离子并非直接杀菌，而是扮演了“能量切断者”的角色。具体表现为：1. 抑制ATP合成：Ce⁴⁺处理显著降低了细菌细胞内的ATP水平。2. 破坏膜电位与氧化磷酸化：它扰乱了细菌细胞膜两侧的质子动力势，这是驱动ATP合成的关键（氧化磷酸化过程的核心），导致膜电位下降。3. 抑制外排泵活性：细菌的外排泵是将其内部的抗生素主动“泵出”细胞、从而产生耐药的重要工具，而这个过程高度依赖ATP供能。当Ce⁴⁺耗竭了ATP，外排泵便陷入“瘫痪”，无法再将羧苄西林排出细胞，使得抗生素得以在细胞内积累并发挥作用。此外，Ce⁴⁺还能诱导细菌产生活性氧，造成氧化应激，进一步削弱细菌。

Ce-Car@EV NPs在体内感染模型中展现出显著的治疗效果

最后，研究在小鼠腿部脓肿感染模型上验证了Ce-Car@EV NPs的体内疗效。与对照组或游离抗生素治疗组相比，经Ce-Car@EV NPs治疗的小鼠，其感染部位的细菌负荷显著降低，炎症损伤得到明显缓解，且未观察到明显的系统性毒性。这证明该仿生纳米平台不仅能有效靶向感染部位，还能在复杂的体内环境中成功实施其“能量破坏+抗生素增敏”的联合战术。

结论与讨论

本研究成功开发并验证了一种创新的仿生纳米策略，用于对抗由铜绿假单胞菌引起的耐药性感染。该策略的核心在于构建了一种智能响应型纳米平台（Ce-Car@EV NPs），它利用天然囊泡实现靶向递送，并在感染微环境触发下释放铈离子（Ce⁴⁺）和抗生素。研究的关键发现是，Ce⁴⁺离子作为一种金属佐剂，通过破坏细菌的能量代谢（抑制ATP合成与氧化磷酸化），进而抑制了依赖能量的外排泵功能，从根本上逆转了细菌对羧苄西林的耐药性，实现了抗生素的再敏化。

这项工作的意义重大。首先，它提供了一种“老药新用”的可行路径，通过金属离子佐剂与抗生素的协同，绕开了研发全新抗生素的漫长征途，为应对紧迫的耐药性问题提供了快速解决方案。其次，所采用的“能量破坏”策略针对的是细菌生存的普适性基础代谢，可能具有广谱的应用潜力，有望拓展至其他耐药病原体的治疗。最后，仿生递送系统（细胞外囊泡）的运用提高了治疗的安全性与靶向性，为纳米药物在感染性疾病领域的临床转化提供了新思路。该研究不仅展示了一个有效的治疗范例，更重要的是，它启发了未来抗菌研究的新方向：将抗菌靶点从传统的特定蛋白或通路，转向更基础、更致命的细胞能量系统。