姜偉,楊文杰（天津市第一中心醫(yī)院,天津 300192）

20世紀(jì)，青霉素等抗生素的發(fā)現(xiàn)為臨床治療細(xì)菌感染提供了變革性的發(fā)展和優(yōu)勢(shì)。然而，隨著臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展，抗生素的使用量逐漸增多，高劑量的抗生素在殺死病原性細(xì)菌的同時(shí)，也造成了細(xì)菌抗生素耐受性即耐藥性的發(fā)展進(jìn)化。全球每年有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的人死于耐抗生素菌株。特別是革蘭氏陰性細(xì)菌的多重耐藥菌株的增加，如銅綠假單胞菌和產(chǎn)生碳青霉烯酶的腸桿菌科（CPE），給人類的生命健康帶來(lái)極大的威脅[1]。由于這些耐藥性細(xì)菌對(duì)任何抗生素都不敏感，因此成為臨床醫(yī)學(xué)的一大難題。目前，革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性細(xì)菌的耐藥菌株是導(dǎo)致各種社區(qū)和醫(yī)院獲得性傳染病的主要原因，包括骨髓炎、呼吸道感染、手術(shù)和植入物相關(guān)感染以及難以治療的傷口感染等[2]。

治療細(xì)菌感染的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是殺死生物膜內(nèi)的細(xì)菌。生物膜是附著在細(xì)胞表面并嵌入細(xì)胞外基質(zhì)中的細(xì)菌，該結(jié)構(gòu)是細(xì)胞密集排列的生物群落。生物膜保護(hù)細(xì)菌免受抗生素、抗體和免疫細(xì)胞的侵害，并導(dǎo)致患者的局部慢性感染[3]。此外，生物膜內(nèi)的細(xì)菌保持休眠狀態(tài)，可引起臨床中的反復(fù)感染。值得注意的是，生物膜內(nèi)低濃度的抗生素可以促進(jìn)細(xì)菌對(duì)藥物頑抗的耐受性和耐藥性的發(fā)展，因此，臨床中通常需要使用高劑量的抗生素來(lái)治療具有持續(xù)生物膜的感染，從而可能導(dǎo)致不良副作用的發(fā)生，包括過(guò)敏反應(yīng)、脫靶毒性、腸道和陰道菌群破壞以及艱難梭菌等機(jī)會(huì)性病原體的過(guò)度生長(zhǎng)。為了限制抗生素的過(guò)度使用，中國(guó)和美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心分別制定了標(biāo)準(zhǔn)化抗菌素給藥比例。標(biāo)準(zhǔn)化抗菌素給藥比例提供了標(biāo)準(zhǔn)化的、風(fēng)險(xiǎn)降低的抗生素使用基準(zhǔn)，旨在減少藥物不良事件發(fā)生和降低不必要的醫(yī)療成本[4]。

抗菌藥物，如噬菌體、抗菌肽（AMPs）和抗菌酶等，已被發(fā)現(xiàn)可以作為抗生素治療的替代品，或與抗生素聯(lián)合應(yīng)用，用于治療細(xì)菌感染。這些替代療法在治療耐抗生素感染方面顯示出理想的效果。例如，用工程噬菌體混合物治療患有耐藥膿腫分枝桿菌感染的15歲囊性纖維化患者[5]。同樣，抗菌酶，如溶葡萄球菌素和噬菌體溶菌素，在治療細(xì)菌感染方面表現(xiàn)出令人滿意的結(jié)果。此外，抗菌肽是一種具有抗菌、抗病毒和抗真菌活性的陽(yáng)離子多肽。目前美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)了幾種肽類抗生素：萬(wàn)古霉素、粘菌素（N050356）、特拉萬(wàn)辛（N022110）、奧立疫苗素（N206334）和達(dá)爾巴韋辛（N021883）。治療蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)（THPdb，http://crdd.osdd.net/raghava/thpdb/）是FDA數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)子集，其中，列出了另外兩種基于肽的抗菌藥，gramicidin D（Neosporin?和Sofradex?）和daptomycin（Cubicin?），這些抗菌肽均表現(xiàn)出明顯的抗菌性能[6]。然而，其中一些抗菌肽在生理?xiàng)l件下的穩(wěn)定性有限，要將其輸送到感染部位存在很大的困難，此外，在保持這些藥物活性設(shè)計(jì)配方方面也存在問(wèn)題，導(dǎo)致抗菌肽除局部感染使用外，整體臨床轉(zhuǎn)化能力有限。

在本綜述中，筆者系統(tǒng)介紹了用于治療細(xì)菌感染性疾病的生物材料輔助非抗生素療法，重點(diǎn)關(guān)注已經(jīng)顯示出理想的治療效果和轉(zhuǎn)化潛力的體內(nèi)和臨床研究。其中，對(duì)基于噬菌體、抗菌酶和多陽(yáng)離子聚合物生物材料的治療策略進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

1 基于生物材料的抗菌療法

生物材料已被設(shè)計(jì)用于協(xié)助生命系統(tǒng)和臨床治療之間的相互作用，目的是加速恢復(fù)患者的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。生物材料，如水凝膠和納米或微粒，可促進(jìn)抗生素和其他抗菌劑輸送到感染部位，并可設(shè)計(jì)為提供適合于在感染部位維持有效藥物濃度的釋放譜。除了作為抗菌劑的傳遞載體，多陽(yáng)離子和兩性離子聚合物的支架和薄膜本身也具有殺菌和抗菌性能[7]。因此，聚合物物理涂層和共價(jià)連接能夠調(diào)整生物材料的特性，使其能夠抵抗感染。同時(shí)，生物材料輔助遞送可以進(jìn)一步保護(hù)抗菌劑免受降解酶和體內(nèi)細(xì)胞因子的影響[8]。此外，生物材料允許同時(shí)給藥兩種或兩種以上的抗菌劑，很好地提高了治療效果。最后，生物材料還可以提高抗生素的治療效率，減少不良副作用和所需的臨床劑量，從而減少脫靶效應(yīng)。

2 噬菌體的輸送

眾所周知，噬菌體是感染特定菌株的病毒[9]。臨床中，噬菌體治療細(xì)菌感染有很多優(yōu)點(diǎn)，首先，噬菌體可感染和裂解特定的細(xì)菌，并能降解細(xì)菌生物膜。噬菌體一旦感染細(xì)菌，噬菌體就會(huì)感染到細(xì)菌體內(nèi)，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡。這種不同于抗生素的作用機(jī)制使得噬菌體療法對(duì)多重耐藥細(xì)菌十分有效。其次，與抗生素相比，噬菌體治療導(dǎo)致較少的內(nèi)毒素釋放，因此，不影響宿主的共生菌群。在歐洲和美國(guó)，噬菌體療法已被臨床用于治療感染抗生素耐藥細(xì)菌的患者，證明了噬菌體療法的轉(zhuǎn)化潛力、有效性和安全性。生物材料輔助噬菌體治療在治療感染性疾病，包括骨科感染、肺部感染、胃腸道感染、傷口感染和眼科感染等多方面顯示出理想的臨床效果。詳細(xì)內(nèi)容介紹如下。

2.1骨科感染 生物材料輔助的噬菌體輸送已被應(yīng)用于對(duì)抗骨科感染方面，這通常是由暴露的傷口和創(chuàng)傷引起的。例如，由聚乙二醇大分子設(shè)計(jì)的合成水凝膠可以有效地傳遞噬菌體，感染和殺死銅綠假單胞菌的PsAer-9菌株[10]。在橈骨節(jié)段骨缺損小鼠模型中，與無(wú)鉛水凝膠治療組相比，被水凝膠包裹的噬菌體可使銅綠假單胞菌數(shù)量減少5倍[11]。同樣，含有噬菌體和利奈唑胺的金屬絲，涂有羥丙基甲基纖維素（HPMC），可以減輕股骨骨折小鼠模型中耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）的感染[12]。因此，這些生物材料輔助的噬菌體顯示出對(duì)金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌的強(qiáng)大抗菌活性，對(duì)臨床骨科感染起到積極作用。

2.2肺部感染 噬菌體也顯示出治療細(xì)菌性肺部感染的潛力。例如，一種噴霧器已被測(cè)試用于將噬菌體霧化輸送到患者肺部[13]。這種以霧化器為基礎(chǔ)的噬菌體遞送很容易實(shí)現(xiàn)，然而，使用噴霧器或鼻內(nèi)給藥會(huì)影響噬菌體的穩(wěn)定性，并受到患者依從性低的限制。因此，噬菌體的生物材料輔助遞送在治療各種形式的呼吸道感染方面已顯示出理想的效果。經(jīng)鼻內(nèi)遞送脂質(zhì)體包裹的噬菌體被證明是預(yù)防肺炎克雷伯菌的有效方法[14]。多孔聚（乳酸-羥基乙酸） （PLGA）微粒裝載噬菌體可配制成可吸入的干粉，并通過(guò)氣管內(nèi)途徑輸送到感染的小鼠肺部。這些攜帶噬菌體的微粒顯著減少了感染野生型和患有囊性纖維化的轉(zhuǎn)基因小鼠的細(xì)菌數(shù)量，而傳遞游離噬菌體（即沒(méi)有微粒包裹）并沒(méi)有減少細(xì)菌數(shù)量[15]。此外，這些PLGA微粒干粉包裹噬菌體，還可以殺死肺部的綠膿桿菌臨床菌[16]。

2.3胃腸道感染 噬菌體介導(dǎo)的胃腸道（GI）細(xì)菌感染的治療具有臨床挑戰(zhàn)性，主要是因?yàn)槭删w對(duì)胃中極低pH值的敏感性。因此，需要使用生物材料將活性噬菌體運(yùn)送到胃腸道。pH響應(yīng)的納米微粒已經(jīng)被研究開(kāi)發(fā)，可以在特定的pH值下包裹和釋放噬菌體。例如，Eudragit?S100，一種聚（甲基丙烯酸甲酯）基聚合物已被證明可以有效地遞送噬菌體，分別治療胃腸道中的大腸桿菌和結(jié)腸中的致病性梭菌[17]。此外，針對(duì)沙門(mén)氏菌的噬菌體可以包裹在海藻酸鹽/CaCO3微粒中，可以口服給藥感染沙門(mén)氏菌的肉雞。在這種情況下，與游離噬菌體遞送相比，海藻酸鹽/CaCO3微粒包裹保護(hù)噬菌體免受胃液酸性pH值的影響，從而提高了治療效果[18]。此外，一種基于微乳劑的透皮系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于噬菌體的全身遞送，以治療胃腸道大腸桿菌感染，有效保護(hù)噬菌體免受胃腸道pH值的影響。在透皮系統(tǒng)中，噬菌體通過(guò)皮膚被輸送到血液中，透皮系統(tǒng)在嚙齒類動(dòng)物體內(nèi)顯示出理想的治療結(jié)果，顯著提高了治療小鼠的存活率[19]。

2.4傷口感染 水凝膠是將AMPs輸送到傷口感染部位的首選材料。例如，基于檸檬酸、蛋殼膜或DNA納米結(jié)構(gòu)的水凝膠已用于治療急性傷口感染。比如，封裝L12肽的DNA水凝膠，在離體豬皮感染模型中，與空（無(wú)AMPs）水凝膠治療組相比，可以使金黃色葡萄球菌感染減少3個(gè)數(shù)量級(jí)[20]。由于生物膜的存在，臨床慢性細(xì)菌感染為特征的難治性傷口的治療十分困難。使用melittin（一種從蜜蜂中提取的AMP）和妥布霉素的聯(lián)合治療，將melittin和妥布霉素共同加載在瓊脂糖水凝膠中，與單獨(dú)使用空水凝膠或妥布霉素治療的小鼠相比，銅綠假單胞菌的感染明顯降低[21]。此外，以新合成的疏水氨基酸和親水氨基酸序列交替排列、兩端電荷相反的AMPs為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)pH值可切換的水凝膠。在中性pH值下，AMPs通過(guò)非共價(jià)靜電相互作用和氫鍵自組裝成超分子水凝膠基質(zhì)。降低pH值至酸性環(huán)境（pH=5.5），導(dǎo)致水凝膠內(nèi)的靜電作用和氫鍵力損失，水凝膠網(wǎng)絡(luò)分解，最終，將AMPs釋放到感染部位。同時(shí)，在水凝膠中封裝光熱劑Cypate，可以使生物膜在熱激活時(shí)降解。這種水凝膠系統(tǒng)在體內(nèi)可以徹底根除MRSA的生物膜[22]。此外，在水凝膠中同時(shí)遞送脯氨酸可以改善糖尿病小鼠模型的傷口愈合[23]。

除了治療慢性細(xì)菌感染外，臨床中需要預(yù)防難治性傷口的過(guò)度炎癥。一種羥丙基纖維素水凝膠被設(shè)計(jì)用于遞送一種雙功能凝血酶衍生肽TCP-25。水凝膠使TCP-25發(fā)生構(gòu)象變化，與脂多糖（LPS）有效結(jié)合，抑制細(xì)菌感染和炎癥發(fā)生[24]。有研究表明，負(fù)載TCP-25的水凝膠顯著降低小鼠皮下創(chuàng)面模型的細(xì)菌計(jì)數(shù)和炎癥反應(yīng)，并促進(jìn)創(chuàng)面愈合[25]。

2.5眼部感染 AMPs也經(jīng)常作為治療眼部感染的抗菌劑。例如，共價(jià)涂覆三聚氰胺的硅膠水凝膠鏡片可以降低微生物性角膜炎、隱形眼鏡誘發(fā)的急性紅眼和周圍潰瘍的發(fā)生率。三聚氰胺涂層隱形眼鏡通過(guò)減少鏡片上黏附的活菌數(shù)量，有效降低豚鼠模型中非傳染性角膜炎的發(fā)病率，以及兔子模型中銅綠假單胞菌驅(qū)動(dòng)的微生物性角膜炎的發(fā)病率[26]。

3 溶菌酶和蛋白質(zhì)的輸送

由細(xì)菌或噬菌體產(chǎn)生的溶菌酶在治療致病菌引起的感染方面顯示出巨大的前景。溶葡萄球菌酶是由擬葡萄球菌產(chǎn)生的一種金屬內(nèi)肽酶，對(duì)葡萄球菌具有特異性。溶葡萄球菌素對(duì)浮游細(xì)菌、固著細(xì)菌和MRSA都具有抑制活性作用，它通過(guò)切斷葡萄球菌肽聚糖層中的甘氨酸橋來(lái)殺死生物膜內(nèi)的細(xì)菌。因此，溶葡萄球菌酶是治療葡萄球菌感染的理想分子。目前，超過(guò)66%的骨科感染是由金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌引起的，因此，溶葡萄球菌素是對(duì)抗骨科感染的一種潛在的強(qiáng)大治療劑[27]。

天然聚合物、金屬有機(jī)框架和膠原蛋白基質(zhì)已成為溶葡萄球菌素的理想載體。這些材料可以直接將溶葡萄球菌素輸送到患者感染部位。天然聚合物，如多糖等，由于受到分子之間結(jié)構(gòu)和成分變化的影響，直接導(dǎo)致生物材料的物理和機(jī)械性能的不一致性，以及對(duì)聚合動(dòng)力學(xué)的極限控制。為了克服這些影響，臨床中可以使用合成水凝膠，例如，水凝膠可以由4臂PEG組成，每臂共價(jià)連接馬來(lái)酰亞胺基團(tuán)，形成馬來(lái)-聚乙二醇水凝膠（PEG-4MAL）。PEG-4MAL水凝膠體系通過(guò)溫和的硫醇-烯邁克爾加成化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行聚合。這種合成水凝膠可以將生物活性肽摻入，成為具有明確網(wǎng)格尺寸和機(jī)械性能的載體。此外，水凝膠的最終降解產(chǎn)物通過(guò)尿液排出，這使得水凝膠的毒性很低。PEG-4MAL水凝膠給藥溶葡萄球菌素的療效在臨床相關(guān)小鼠感染模型中得到了很好的證實(shí)[28]。在小鼠感染模型中，基于水凝膠的溶葡萄球菌蛋白遞送到感染部位，可以完全清除感染，其療效優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的抗生素治療[29]。在不愈合的節(jié)段性骨缺損模型中，合成的水凝膠使溶葡萄球菌素和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）能夠同時(shí)消除金黃色葡萄球菌感染，并促進(jìn)骨再生，以恢復(fù)節(jié)段性骨缺損[30]。值得注意的是，傳遞溶葡萄球菌蛋白的水凝膠還可以將感染部位的炎癥環(huán)境恢復(fù)到健康水平，這是由炎癥細(xì)胞因子和免疫細(xì)胞水平共同決定的，而不會(huì)引起機(jī)體局部或全身毒性。

溶菌素是一類噬菌體編碼的酶，它具有高度特異性結(jié)合和溶解細(xì)菌細(xì)胞壁的作用。目前，已鑒定出針對(duì)革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性菌株的多種特異性溶菌素。如溶菌素可以殺死耐抗生素的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌，如MRSA，因此，溶菌素已在臨床試驗(yàn)中用于治療不同類型的感染。然而，在感染部位保持溶菌素的穩(wěn)定性和生物相容性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，目前，臨床上通過(guò)生物材料輔助輸送溶菌素的方式來(lái)解決該挑戰(zhàn)。例如，在pH敏感性脂質(zhì)體中封裝LysRODI（一種抗金黃色葡萄球菌的溶菌素）可提高LysRODI的穩(wěn)定性[31]；將Cp-1噬菌體衍生的抗肺炎球菌溶解素加載到黏附殼聚糖納米顆粒中可增加其生物利用度，同時(shí)對(duì)抗肺炎球菌感染仍有很好的活性[32]。

4 聚陽(yáng)離子聚合物

聚陽(yáng)離子聚合物具有廣譜抗菌特性、抗生物膜特性和對(duì)多種耐藥細(xì)菌的殺菌活性。雖然陽(yáng)離子聚合物，如聚亞胺和聚賴氨酸，表現(xiàn)出抗菌性能，但其對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞毒性一直是應(yīng)用于治療全身感染的主要障礙。季銨取代聚合物制備的納米顆粒具有很強(qiáng)的殺菌活性，對(duì)哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞沒(méi)有細(xì)胞毒性影響。多陽(yáng)離子抗菌聚合物的優(yōu)點(diǎn)是它們的性質(zhì)可以根據(jù)感染類型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。例如，由葡聚糖基陽(yáng)離子嵌段共聚物（DA95B5）制成的納米顆粒通過(guò)獨(dú)特的作用機(jī)制殺死生物膜內(nèi)的細(xì)菌。這些納米顆粒黏附在生物膜內(nèi)的細(xì)菌上，并促進(jìn)細(xì)菌的消除。一旦細(xì)菌從生物膜中去除，它們就會(huì)被嵌段共聚物上存在的季銨基團(tuán)殺死。同時(shí)，納米顆粒對(duì)生物膜內(nèi)的耐抗生素細(xì)菌具有殺菌作用，含有DA95B5納米顆粒的水凝膠墊敷料在小鼠皮膚傷口模型中的殺菌效率優(yōu)于萬(wàn)古霉素[33]。陽(yáng)離子聚合物也被用于修飾可植入生物材料的性能。例如，醫(yī)療級(jí)導(dǎo)管可以通過(guò)涂敷由幾丁質(zhì)聚合物設(shè)計(jì)的可生物降解涂料來(lái)抗菌，從而顯著減少小鼠的MRSA感染[34]。

聚陽(yáng)離子嵌段共聚物由于其正電荷與細(xì)菌細(xì)胞膜上的負(fù)電荷膜相互作用而具有抗菌性能。盡管生物材料的生物相容性毒性對(duì)臨床轉(zhuǎn)化提出了挑戰(zhàn)，但隨著對(duì)這些材料作用機(jī)制的揭示，以及材料化學(xué)的不斷發(fā)展，已經(jīng)可以對(duì)聚陽(yáng)離子嵌段共聚物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確修改，這導(dǎo)致它們重新成為治療細(xì)菌感染的有效候選者。通過(guò)調(diào)節(jié)疏水性與正電荷的比值，可以制備出對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞毒性很低的選擇性抗菌材料。此外，與非聚合材料抗菌治療相比，這種新一代材料已顯示出較低的引發(fā)細(xì)菌耐藥性發(fā)展的傾向。聚陽(yáng)離子嵌段共聚物治療耐抗生素感染的能力無(wú)疑充實(shí)了對(duì)抗傳染病的“武器庫(kù)”。

5 替代性抗菌生物材料

目前，替代性抗菌療法正處于研究的早期階段。例如，磁性機(jī)器人和磁性靶向復(fù)合材料正在被研究用于將藥物輸送到體內(nèi)特定部位。磁性催化抗菌機(jī)器人（CARs）由氧化鐵納米顆粒組成，可以在含有過(guò)氧化氫和細(xì)胞外聚合物（EPS）降解酶的情況下完成藥物的輸送和傳遞[35]。同時(shí)，殺菌自由基的產(chǎn)生和降解酶的存在可以治療細(xì)菌感染，并導(dǎo)致生物膜的破壞。磁性CARs以可控的方式消除細(xì)菌生物膜，并在離體牙感染模型中防止生物膜再生。此外，微波輔助磁性碳納米管復(fù)合材料可以穿透組織并將慶大霉素有效遞送，這可以徹底根除兔子模型中由MRSA引起的骨髓炎[36]。

抑制傳染病的傳播對(duì)于遏制流行病的蔓延至關(guān)重要。為了限制由革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性細(xì)菌引起的新發(fā)性感染的傳播，目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種釋放活性氧（ROS）的納米纖維膜，其釋放機(jī)制是其對(duì)陽(yáng)光的敏感性。納米纖維膜由二苯甲酮和多酚的共軛材料制成，允許電子在太陽(yáng)激活時(shí)轉(zhuǎn)移，最終導(dǎo)致ROS的釋放。該膜對(duì)大腸桿菌和李斯特菌的殺滅效率比對(duì)照的聚乙烯納米纖維膜高出6個(gè)數(shù)量級(jí)[37]。良好的透氣性、理想的過(guò)濾細(xì)顆粒能力以及很高的細(xì)菌和病毒殺滅效率，突出了納米纖維膜在口罩和個(gè)人防護(hù)裝備中的應(yīng)用潛力。

6 選擇理想的生物材料

2020年是聚合物科學(xué)研究的第100個(gè)年頭。長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)的研究為我們提供了各種各樣的高分子材料和生物材料，這些材料可以用于抗菌治療方面。生物材料的選擇最終取決于其預(yù)期的作用和效果，主要包括遞送載體（比如納米顆粒、水凝膠）；用于修飾生物醫(yī)學(xué)設(shè)備性能的材料（比如高分子涂料和高分子粉刷器）；具有固有抗菌性能的材料（比如陽(yáng)離子支架材料）。此外，還應(yīng)考慮預(yù)期的給藥方式，比如是全身給藥還是局部給藥，感染部位，抗菌劑與生物材料的相容性以及預(yù)期的釋放速率等。例如，全身給藥治療需要在血清條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的生物材料，如兩親性納米顆粒或脂質(zhì)體等。同樣，對(duì)于局部感染的治療，需要考慮感染部位的生理環(huán)境。生物材料對(duì)局部環(huán)境，比如pH、溫度、光等，具有響應(yīng)性，可用于實(shí)現(xiàn)抗菌藥物的靶向遞送[38]。理想情況下，我們的目標(biāo)應(yīng)該是開(kāi)發(fā)一種組合策略，不僅能治療感染，而且能將局部生理?xiàng)l件恢復(fù)到感染前的狀態(tài)。例如，基于水凝膠的治療策略可以用于治療患者骨感染，因?yàn)樗鼈儾粌H可以有效地釋放殺菌劑，而且還可以招募成骨細(xì)胞和炎癥細(xì)胞來(lái)促進(jìn)患者的骨再生。

7 慢性感染動(dòng)物模型的建立

本綜述中討論的大多數(shù)基于生物材料的治療策略，目前在小動(dòng)物模型中均處于臨床前評(píng)估階段。要成功地實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化，必須完成幾個(gè)重要的評(píng)估步驟。首先，需要在相關(guān)感染模型中評(píng)估抗菌的有效性和安全性，特別是在大動(dòng)物模型中。大多數(shù)基于生物材料的治療策略主要是在體外評(píng)估抗菌效果，而體內(nèi)研究往往局限于生物相容性的評(píng)估或在不考慮臨床環(huán)境 （如創(chuàng)傷等）的動(dòng)物模型中進(jìn)行。第二，許多評(píng)估體內(nèi)抗菌效果的臨床前研究?jī)H限于急性感染動(dòng)物模型，這些研究在評(píng)估抗菌治療的預(yù)防效果方面是有效的，但卻不包括慢性感染相關(guān)的臨床病癥。迄今為止，只有少數(shù)動(dòng)物模型存在慢性細(xì)菌感染。因此，需要不斷開(kāi)發(fā)小型和大型動(dòng)物模型，建立慢性感染且生物膜存在的動(dòng)物模型，以便在慢性感染相關(guān)的環(huán)境中對(duì)基于生物材料的治療策略進(jìn)行強(qiáng)有力的評(píng)估。此外，經(jīng)常使用的臨床菌株已經(jīng)逐漸適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，降低或者失去了原有的毒力。因此，需要對(duì)相關(guān)的臨床分離株進(jìn)行深入研究。在為動(dòng)物接種之前，這些臨床分離株應(yīng)在模擬患病環(huán)境的相關(guān)培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，以模擬臨床環(huán)境中細(xì)菌的遺傳組成和進(jìn)化。

8 宿主免疫反應(yīng)評(píng)估

目前，大多數(shù)臨床前研究主要針對(duì)臨床抗菌效果，而沒(méi)有考慮治療的整體生理效應(yīng)。比如評(píng)估免疫細(xì)胞對(duì)機(jī)體治療的反應(yīng)等。這一考慮對(duì)于使用細(xì)菌或病毒來(lái)源的抗菌劑治療尤其重要，因?yàn)檫@種治療策略具有潛在的風(fēng)險(xiǎn)，可在宿主中引發(fā)免疫原性反應(yīng)。例如，用溶葡萄球菌素治療可能會(huì)產(chǎn)生抗溶葡萄球菌素抗體，從而中和其療效。雖然現(xiàn)階段溶葡萄球菌蛋白的突變體已被進(jìn)行生物改造以降低其免疫原性，但抗溶葡萄球菌抗體的存在需要進(jìn)行臨床評(píng)估，以證明該治療策略的臨床安全性。

此外，還應(yīng)評(píng)估宿主對(duì)生物材料載體和抗菌劑的免疫反應(yīng)。理想的生物材料應(yīng)該對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞是無(wú)毒性的，并且不應(yīng)該在治療濃度下誘導(dǎo)機(jī)體免疫原性反應(yīng)。生物材料載體的免疫反應(yīng)和毒性特征會(huì)受到抗菌劑的質(zhì)地和配方的影響。例如，聚乙二醇（PEG）通常被認(rèn)為是一種具有很好耐受性的安全材料。然而，已有資料報(bào)道了針對(duì)PEG的抗體開(kāi)發(fā)，這些抗體可以加速PEG制劑的清除并降低治療的效果?？筆EG抗體的結(jié)合親和力取決于末端基團(tuán)的疏水性和PEG主鏈的長(zhǎng)度。事實(shí)上，PEG衍生物低聚乙二醇（OEGMA）具有親水PEG鏈端，并且，多個(gè)短PEG單元連接到甲基丙烯酸酯主鏈上，當(dāng)OEGMA用于在感染的糖尿病小鼠模型中皮下遞送治療肽時(shí)，不會(huì)誘導(dǎo)免疫原性反應(yīng)[39]。因此，我們需要考慮抗PEG抗體存在的潛在意義。然而，需要進(jìn)一步指出的是，這些研究的重點(diǎn)是將生物材料與抗感染治療相結(jié)合。

除了這些科學(xué)挑戰(zhàn)之外，這些生物技術(shù)要想進(jìn)入臨床應(yīng)用，還需要克服技術(shù)和資金方面的障礙。與抗生素療法相比，基于生物材料的抗菌治療策略造價(jià)昂貴，目前僅在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上生產(chǎn)。以生物材料為基礎(chǔ)的技術(shù)產(chǎn)品的擴(kuò)大應(yīng)用需要大規(guī)模生產(chǎn)所有單獨(dú)的成分，包括抗菌劑、生物材料和偶聯(lián)體。目前，噬菌體和抗菌肽的高通量生產(chǎn)，以及隨著先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，溶葡萄球菌素的生產(chǎn)成本在不斷降低，這些實(shí)例為這些技術(shù)的不斷擴(kuò)大和臨床應(yīng)用提供了令人鼓舞的結(jié)果。然而，我們需要進(jìn)行更深入的研究，以制定更為有效的治療策略，以大規(guī)模和低成本的方式優(yōu)化和改善這些生物技術(shù)。

最近，噬菌體溶酶等抗菌劑在臨床試驗(yàn)中取得成功，為它們的臨床轉(zhuǎn)化提供了相當(dāng)可觀的前景。特別是在菌血癥和心內(nèi)膜炎患者中，噬菌體溶酶與抗生素聯(lián)合治療金黃色葡萄球菌時(shí)，可以表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性，并且，沒(méi)有任何額外的不良副作用。目前，幾種令人鼓舞的新型抗菌治療策略正處于臨床試驗(yàn)階段。

9 減少細(xì)菌耐藥性策略

開(kāi)發(fā)非抗生素治療策略的主要原因是針對(duì)抗生素耐藥性的細(xì)菌感染。對(duì)于抗生素的治療，細(xì)菌可以經(jīng)歷進(jìn)化階段，并發(fā)展出耐藥性機(jī)制。生物材料載體的優(yōu)勢(shì)是它們能夠?qū)煞N或兩種以上的抗菌制劑共同遞送到患者感染部位?？梢岳眠@一優(yōu)勢(shì)最大限度地減少細(xì)菌耐藥性的發(fā)展。目前，通過(guò)生物材料的緩釋作用，以高于最低抑制濃度的劑量持續(xù)給藥，進(jìn)而抑制細(xì)菌耐受性的策略已經(jīng)被研究出來(lái)。生物材料是持續(xù)和有針對(duì)性地傳遞抗菌藥物的理想候選者，可以長(zhǎng)時(shí)間有效維持所需的抗菌劑量。除了本文討論的抗菌藥物外，抗體、疫苗、免疫刺激劑和輔助肽等也逐漸成為有前途的抗菌候選藥物。雖然其中一些藥物本身不具有抗菌特性，但它們通過(guò)調(diào)節(jié)抗炎趨化因子和細(xì)胞因子的水平，抑制促炎因子的表達(dá)，或在抗生物膜肽的情況下限制生物膜的形成。目前，對(duì)替代抗菌劑的研究主要集中在設(shè)計(jì)比抗生素更有效的抗菌生物材料方面。

10 新型的抗菌材料超越常規(guī)抗菌療法

隨著新一代抗生素和抗菌療法的不斷發(fā)展，深入了解宿主-致病菌的免疫反應(yīng)以及抗菌和抗炎的雙重作用，將為明確治療感染的新靶點(diǎn)和策略打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。例如，敗血癥誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)與嚴(yán)重疾病相關(guān)的免疫抑制息息相關(guān)，而引起這種免疫抑制的潛在機(jī)制目前已經(jīng)確定。此外，樹(shù)突狀細(xì)胞和肺泡巨噬細(xì)胞的失活可能會(huì)導(dǎo)致康復(fù)患者的易感性增強(qiáng)。有趣的是，免疫細(xì)胞的表觀遺傳失活并不是由引起原發(fā)性感染的病原微生物觸發(fā)的，而是由宿主在清除原發(fā)性感染后激活的機(jī)體信號(hào)通路所觸發(fā)的。因此，我們對(duì)于信號(hào)通路的識(shí)別可以揭示新的治療靶點(diǎn)，可以用于開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)新的抗菌材料和免疫調(diào)節(jié)劑偶聯(lián)體。此外，免疫肥大細(xì)胞在調(diào)節(jié)微生物浸潤(rùn)的免疫反應(yīng)中的作用也已經(jīng)被揭示，并且有報(bào)道稱，激活肥大細(xì)胞可以清除金黃色葡萄球菌引起的皮膚感染。我們?cè)O(shè)想的是，未來(lái)的治療可以采用一種組合策略，即設(shè)計(jì)新的生物材料，應(yīng)用抗菌劑和免疫調(diào)節(jié)劑共同對(duì)抗細(xì)菌感染。

總之，隨著超級(jí)細(xì)菌的產(chǎn)生，新的抗菌療法的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性?；谏锊牧系寞煼梢酝ㄟ^(guò)幾個(gè)方向的策略提高現(xiàn)有抗菌劑的療效：第一，通過(guò)在患者體內(nèi)或者皮膚組織持續(xù)緩釋抗菌材料來(lái)提高局部組織的有效濃度，減少治療的脫靶效應(yīng)和毒性作用；第二，通過(guò)添加穩(wěn)定劑和官能團(tuán)，增加抗菌材料的穩(wěn)定性和生物活性；第三，通過(guò)偶聯(lián)或者共價(jià)結(jié)合等方式促進(jìn)生物材料與其他藥物和佐劑的共給藥；最后，通過(guò)調(diào)節(jié)患者機(jī)體的局部微環(huán)境來(lái)增強(qiáng)抗菌效果。因此，隨著先進(jìn)抗菌材料和生物活性分子研究的不斷發(fā)展，再加上新型抗菌劑的殺菌性能的不斷提高，基于生物材料的抗致病微生物治療將在不久的將來(lái)得到充分的實(shí)現(xiàn)和廣泛的應(yīng)用。生物材料學(xué)和組織工程學(xué)的進(jìn)步將進(jìn)一步允許不同類別的抗菌劑的共同傳遞和協(xié)同效應(yīng)，以最大限度地提高抗菌治療的指數(shù)和效果，并最大限度地減少細(xì)菌耐藥性和其他不良反應(yīng)的產(chǎn)生。