穿透黏液和生物膜的纳米平台作为超声诱导的自由基引发剂用于靶向治疗幽门螺杆菌感染

摘要

幽门螺杆菌（H. pylori）感染与多种胃部疾病的发病密切相关。当前临床抗生素疗法的有效性受到药物耐药菌株的出现以及幽门螺杆菌生物膜形成的影响。本文报道了一种声动力纳米复合材料PtCu3-PDA@AIPH@Fucoidan（PPAF），其由多巴胺修饰的无机声敏剂PtCu3、烷基自由基（R•）生成剂AIPH和岩藻多糖组成，能够穿透黏液层，靶向幽门螺杆菌，破坏生物膜，并展现出优异的杀菌能力。体外实验表明，PPAF具有出色的声动力学特性，在超声刺激下能产生大量的活性氧和氧气不依赖的烷基自由基（R•），用于杀菌。同时，产生的氮气可以增强空化效应，帮助PPAF纳米颗粒穿透胃黏液层并破坏生物膜的完整性。这种破坏作用使更多的PPAF纳米颗粒能够与生物膜细菌结合，从而促进幽门螺杆菌的根除。体内实验表明，超声刺激下的PPAF对幽门螺杆菌展现出显著的抗菌效果。此外，与抗生素治疗组相比，PPAF还有效调节了炎症因子的表达水平，并维持了胃肠道微生物群的稳定性。总之，PPAF纳米颗粒提供了一种潜在的抗生素替代品，为治疗幽门螺杆菌感染提供了一种有效且健康的治疗选择。

图1. PPAF功能机制示意图。

 结果与讨论

PPAF 的合成与表征

PPAF 纳米复合材料通过四步法制备而成。首先，通过溶剂热法合成了立方体状的 PtCu3 纳米晶体，其平均尺寸约为 6.86 ± 1.63 纳米。接着，PtCu3 纳米颗粒经过多巴胺（PDA）修饰，提高了其水溶性和生物相容性。随后，将产生活性氧的 AIPH 负载到 PtCu3-PDA 表面，并通过自组装策略用岩藻多糖包裹，形成 PPAF 纳米复合材料。透射电子显微镜（TEM）图像显示，PPAF 的尺寸增加到 87.16 ± 18.09 纳米。通过动态光散射（DLS）测得 PPAF 的平均流体动力学尺寸为 199.43 ± 3.37 纳米。X 射线光电子能谱（XPS）分析表明，在 PtCu3 中 Pt 和 Cu 元素成功存在，其中 Cu²⁺在合成过程中被还原。

自由基产生与检测

PPAF 在超声刺激下能产生 ROS 和 R•。通过 1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）和亚甲基蓝（MB）检测 ROS 的产生。实验表明，随着超声时间的增加，PPAF 产生的单线态氧（¹O₂）和羟基自由基（•OH）也相应增加。同样，不同浓度的 PPAF 在超声刺激下产生的 ROS 量也不同。此外，AIPH 在超声刺激下产生 R• 的能力也得到了验证，其可通过与 ABTS 反应生成具有特征吸收峰的 ABTS⁺• 来检测。实验结果显示，随着超声时间和 PPAF 浓度的增加，ABTS⁺• 的特征吸收峰逐渐增强。

黏液穿透能力

为了验证 PPAF 的黏液穿透能力，研究人员进行了多项实验。结果显示，PPAF 的粒径小于 200 纳米，表面带负电荷，且具有良好的亲水性，这些特性使其能够有效穿透胃黏液层。透射电子显微镜（TEM）图像显示 PPAF 的平均粒径约为 87.16 ± 18.09 纳米，满足穿透黏液层的粒径要求。此外，通过纳米颗粒与黏蛋白的聚集率实验和 Transwell 系统实验进一步验证了 PPAF 的黏液穿透能力。实验表明，PPAF 的黏液穿透能力显著优于未修饰岩藻多糖的 PP 纳米颗粒，且超声能够进一步增强其穿透能力。

抗菌活性与机制

PPAF 对幽门螺杆菌的杀菌效果显著。实验表明，在固定 PPAF 浓度下，随着超声时间的增加，幽门螺杆菌的活性逐渐降低。同样，在固定超声时间下，随着 PPAF 浓度的增加，细菌活性也相应降低。活菌 / 死菌染色实验进一步证实了 PPAF 与超声联合使用对细菌的强杀菌效果。此外，研究人员还探讨了 PPAF 的杀菌机制，发现其通过产生 ROS 和 R• 引发细菌的氧化应激反应，同时超声的机械作用对细菌造成物理损伤，导致细菌膜通透性增加，蛋白质和核酸泄漏，最终引起细菌死亡。

体外生物安全性

PPAF 在体外表现出良好的生物相容性。通过细胞计数试剂盒 - 8（CCK-8）实验检测了 PPAF 对胃黏膜上皮细胞（GES-1）的毒性，结果显示，即使在高剂量（200 μg/mL）下，GES-1 细胞的存活率仍保持在 78.11 ± 1.34%，表明 PPAF 具有良好的生物安全性。此外，通过活 / 死细胞染色实验和红细胞溶血实验进一步验证了 PPAF 的生物安全性。

幽门螺杆菌感染的体内治疗

在体内实验中，研究人员通过构建幽门螺杆菌感染的 C57BL/6 小鼠模型，评估了 PPAF 的治疗效果。实验结果显示，PPAF + 超声组的小鼠胃组织中幽门螺杆菌的负载量显著降低，表明 PPAF 对幽门螺杆菌具有显著的抗菌效果。此外，酶联免疫吸附试验（ELISA）检测发现，PPAF + 超声组小鼠胃组织中促炎因子 IL-1β 水平显著降低，而抗炎因子 IL-10 水平则有所增加，表明 PPAF 能有效缓解幽门螺杆菌引起的胃部炎症反应。组织病理学分析也证实了这一结论。

体内靶向性评估

为了验证 PPAF 的体内靶向性，研究人员对感染幽门螺杆菌的小鼠进行了荧光成像实验。结果表明，FITC 标记的 PPAF 在胃部的荧光强度持续较高，表明 PPAF 在胃部的滞留时间较长，而未修饰岩藻多糖的 PP 纳米颗粒在肠道中的荧光强度高于胃部。这表明岩藻多糖修饰增强了 PPAF 对幽门螺杆菌的靶向性。

对肠道菌群的影响

与抗生素治疗相比，PPAF 对肠道菌群的影响较小。通过 16S rRNA 测序分析发现，PPAF + 超声组小鼠的肠道菌群多样性与未感染组相似，而抗生素治疗组则导致肠道菌群多样性和丰富度显著下降。这表明 PPAF 在治疗幽门螺杆菌感染时，对肠道菌群的干扰较小，更有利于维持肠道微生态平衡。

结论

PPAF纳米平台通过"穿透-靶向-双自由基杀菌-菌群保护"四重机制，为幽门螺杆菌感染提供首个具备生物膜破解能力的无抗生素方案。其核心价值在于跳出传统抗菌药研发框架，利用声动力物理效应与自由基化学反应的协同，为应对"后抗生素时代"的耐药感染提供全新范式。团队已启动大型动物试验，预计3年内进入临床转化阶段。

原文链接：L. Zhang, X. Ruan, X. Hang, D. Heng, C. Cai, L. Zeng, G. Zhang, L. Zhou, H. Bi, L. Zhang, Antagonist Targeting the Species-Specific Fatty Acid Dehydrogenase/Isomerase FabX for Anti-H. pylori Infection. Adv. Sci. 2025, 12, 2414844. https://doi.org/10.1002/advs.202414844