中国农大沈建忠院士团队突破：揭秘细菌感染“边际效应”，助力破解耐药菌难题

近日，中国农业大学动物医学院兽医公共卫生全国重点实验室沈建忠院士团队在国际顶级期刊《Cell》发表题为《Tissue geometry spatiotemporally drives bacterial infections》的研究论文，首次揭示了多细胞组织结构特性调控细菌感染的“边际效应”机制，并基于此开发出靶向药物递送系统，为耐药菌感染的精准防控提供了全新策略。

细菌感染也有“偏爱区”？组织几何结构成关键

传统观点认为，细菌在宿主组织中的分布是随机的。然而，沈建忠团队通过构建二维（2D）几何约束上皮细胞模型和三维（3D）类肠道芯片发现，细菌更倾向于侵袭组织边缘或肠道隐窝等特定几何结构区域。例如，在圆形上皮单层中，金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等病原菌会集中定殖于外围高牵引力区域，形成“边际感染模式”。

研究进一步揭示，这种“偏爱”与宿主细胞的生物力学信号密切相关。团队发现，组织边缘区域的细胞因几何限制产生更强的牵引力，激活机械敏感离子通道蛋白Piezo1，并通过钙离子信号和细胞骨架重组，促使细菌与宿主蛋白共定位，加速感染进程。当抑制Piezo1功能或降低细胞牵引力时，细菌的侵袭能力显著下降。

从机制到应用：精准递送系统直击耐药菌“大本营”

基于细菌的定殖规律，团队创新性设计了一种靶向药物递送系统。在3D肠道芯片和小鼠感染模型中，纳米颗粒药物可精准聚集于细菌富集的隐窝结构，使局部抗生素浓度提升90%。实验显示，针对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和耐万古霉素肠球菌（VRE），该系统的杀菌效率比传统给药方式提高60%以上，且大幅减少药物对正常组织的损伤。

沈建忠院士表示：“这一发现不仅解释了细菌感染的空间偏好性，还为克服抗生素耐药性提供了新思路——通过干预宿主力学微环境或精准递药，可‘四两拨千斤’地增强现有药物的疗效。”

科学意义与未来展望

该研究首次将组织几何结构与细菌感染机制关联，填补了宿主-病原互作领域的理论空白。目前，团队正进一步探索不同病原菌的力学响应特征，并优化药物递送系统的临床应用方案。未来，结合人工智能与生物力学建模，或能实现感染部位的实时预测与个性化治疗，为全球耐药菌防控贡献“中国方案”。

参考资料：Yiming Han, Xiaoye Liu, Shaoqi Qu, Xiaocen Duan, Yunqing Xiang, Nan Jiang, Shuyu Yang, Xu Fang, Liang Xu, Hui Wen, Yue Yu, Shuqiang Huang, Jianyong Huang, Kui Zhu, Tissue geometry spatiotemporally drives bacterial infections,Cell,2025