伤口感染医生三板斧下去无效干捉急 理工男出手利用细菌燃料电池发电促愈合

——治疗性敷料通过抗菌剂和电刺激抑制危险的生物膜

纽约州立大学宾厄姆顿大学的一项关于伤口护理的新研究结合了生物可降解电子纸张和细菌燃料生物电池的想法。

当伤口发生时，人们希望它们能迅速愈合，没有并发症，但有时感染和其他并发症会阻止它。仅在米国，慢性伤口是影响数千万人的重大健康问题。

宾厄姆顿大学教授Seokheun Choi有一些关于如何改善愈合过程的想法，他把他最近的研究结合在一起，生物可降解的电子产品和细菌燃料生物电池。

在《ACS应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces) 杂志上发表的一篇新论文中，Choi和来自他的生物电子和微系统 (Bioelectronics and Microsystems) 实验室的两名博士生Maryam Rezaie和Zahra Rafiee提出了一种治疗性敷料，通过结合产生抗菌剂的产芽孢菌(spore-forming bacteria)以及由生物电池供电的可控电刺激来抑制危险的生物膜。

Choi是他是托马斯·J·沃森工程学院和应用科学系电气和计算机工程系 (Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science’s Department of Electrical and Computer Engineering) 的一名教员。

Seokheun (Sean) Choi

Choi指出：

我们有非常有益的皮肤细菌，可以促进系统的免疫防御。当你有伤口时，这种皮肤细菌有助于愈合。

问题是，这种环境非常适合病原体入侵，因为它营养丰富，潮湿和温暖。当它们开始形成生物膜时，就很难根除这些病原体，而伤口愈合过程可能会延长，有时会持续一年或更长时间。

宾厄姆顿研究小组在几个方面改进了以前关于活菌疗法的研究。这些细菌更好地融入敷料中，并保持休眠状态，直到它们在伤口上激活，从而可以长期储存。只要有营养，它们就会产生几乎无限数量的抗菌剂。

为了进一步提高抗菌效果，该团队成功地在携带孢子的细菌中添加了铜氧化物和锡氧化物纳米颗粒，从而产生了少量的能量。当电流进入伤口区域时，似乎会破坏感染微生物的细胞完整性并刺激愈合。

研究人员在模拟人体皮肤和猪皮上测试了他们的纸基敷料，结果很有希望，但在这一过程用于人类之前，还需要更多的研究。

Choi指出：

使用纸张的好处在于它是一次性的，所以不用担心使用后的第二次感染，但未来的工作是必要的。

我们不清楚这种电刺激是如何治愈伤口感染的。一种猜测是细菌细胞的细胞膜被破坏了，但电刺激的类型、持续时间或频率如何使其有效是我们需要进一步研究的。

原文图1：增强的生物燃料电池 (MFC) 作为一种革命性的伤口敷料解决方案。(a)双重功能的生活敷料，以积极对抗伤口感染。它独特地将自主产生抗菌物质的能力与直接对伤口部位进行可控电刺激的应用相结合。(b)高级MFC的照片，包括芽孢形成的枯草芽孢杆菌。这些有弹性的内生孢子经过改造，在长时间储存期间保持休眠状态，确保敷料的寿命和功效。当应用到伤口上时，富含营养的渗出液会触发这些孢子从休眠状态出现，过渡到活跃的代谢状态。这一激活启动了一个双重过程，即细菌开始通过其代谢活动在细胞外发电。同时，这些活化的细胞产生和分泌抗菌剂。

原文图2：基于MFC的伤口敷料的增强设计和功能。

原文图5：MFC在富含病原体环境中的性能评估。(a) MFC暴露于模拟创面分泌物时的极化曲线和输出功率，比较有无病原体的情况。(b) MFC的实时电压输出，突出无病原体和有病原体环境下操作的差异。(c) MFC处理8 h后的病原菌扫描电镜 (SEM) 图像。

原文图6：体外评估MFC的抗菌活性。

原文图7：基于MFC的伤口敷料抗菌效果的体外评估

附 1：研究概要

更好的感染控制将加速伤口愈合并减轻相关的卫生保健负担。传统的抗菌敷料往往不能有效控制感染，在不经意间促进了抗菌耐药性。

Choi研究团队的研究揭示了一种新型的、具有双重功能的生活敷料，它利用枯草芽孢杆菌的力量，自主产生抗菌药物并提供电刺激。

这种敷料建立在创新的可穿戴微生物燃料电池(MFC)框架上，使用枯草芽孢杆菌内生孢子作为强大的休眠生物催化剂。内生孢子是有弹性的，在富含营养的伤口渗出液中重新激活，产生电和抗菌化合物。

这一组合使枯草芽孢杆菌能够在食物和其他资源方面战胜病原体，从而对抗感染。

该策略通过胞外合成的内孢子表面的氧化锡和氧化铜纳米颗粒，增强抗菌作用和电刺激来增强。

此外，MFC框架引入了一种开创性的敷料设计，其特点是将导电水凝胶嵌入到纸基衬底中。这种排列确保了细胞的稳定性，并维持了一个有利于愈合的潮湿环境。

他们的方法已被证明对生物膜中的三种关键病原体非常有效：铜绿假单胞菌，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，这些病原体在体外和体外模型中都表现出了卓越的能力。

他们的创新标志着基于可穿戴MFC的伤口护理的重大飞跃，为感染伤口的治疗提供了有效的解决方案。

纽约州立大学宾厄姆顿大学

附 2：研究背景信息与未来方向

皮肤创伤破坏皮肤组织的结构完整性和生理运作，对机体内在修复机制造成巨大障碍。皮肤上有多种微生物群落，它们在增强局部和全身免疫防御方面发挥着关键作用。与宿主上皮细胞和免疫细胞的复杂相互作用阻止病原微生物的入侵。然而，受损的皮肤完整性会破坏这些免疫功能。因此，在伤口愈合过程中，会形成一个富含营养、水分和温暖的环境，为病原体入侵和繁殖提供了完美的条件。

这使伤口护理复杂化，使其更难以有效管理。在感染创面中，革兰阴性菌以铜绿假单胞菌和大肠埃希菌为主，革兰阳性菌以金黄色葡萄球菌为主。伤口感染的进展遵循一个连续过程，从“污染”开始，演变为“定植”，随后随着病原体深入伤口组织，发展为“局部感染”。

当病原体形成生物膜，将感染从局部问题过渡到“扩张性感染”阶段，最终达到最关键的“全身性感染”阶段，这一阶段可导致脓毒症和器官功能障碍，这一进展会加剧。生物膜的形成带来了一个重大挑战，因为生物膜通过分泌胞外多聚物质来保护病原体。这些物质形成机械和化学屏障，使生物膜不易被人体免疫防御机制清除。

Choi研究团队介绍了一种利用枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis, Bacillus subtilis)生产的具有自主抗菌和可控电刺激双重功能的生活敷料。敷料是围绕二维高级微生物燃料电池(MFC)架构设计的，纳入枯草芽孢杆菌内生孢子作为休眠但有效的生物催化剂。

值得注意的是，这些内孢子可以承受长期休眠的储存，并在暴露于渗透到敷料的富含营养的伤口渗出液后变得代谢活跃。在激活后，生发细胞通过代谢过程开始细胞外发电，同时分泌抗菌药物以与病原体竞争稀缺资源，从而确保其生存。这种双重治疗策略显示出了深刻的抗菌效果，能够清除由铜绿假单胞菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌产生的生物膜，甚至阻止它们的形成。

通过胞外生物合成内孢子表面的氧化锡(SnO2)和氧化铜(CuO)纳米粒子来增强抗菌效果和电刺激输出。这些纳米颗粒因其固有的抗菌特性而闻名，已被广泛用于治疗感染的伤口。此外，它们可以促进电池和外部电极之间的电子或电化学连接，显著促进发电。重要的是，这些生物来源的纳米颗粒与人体皮肤具有生物相容性。

此外，研究团队提出了一种开创性的伤口敷料设计，该设计在纸基衬底中加入了导电水凝胶。这种独特的结构使细胞在其框架内，并保持一个最佳的富含水分的环境，促进有效的伤口愈合。体外和离体实验证明了该策略对致病生物膜的显著耐药性，突显了该策略的潜力。因此，上述研究所描述的方法预示着基于可穿戴MFC的伤口敷料的新范式，提高了感染伤口治疗的有效性。

未来的方向

这项研究提供了基于MFC的伤口敷料的新概念的关键初步验证。这种创新方法作为伤口敷料的有效性已通过严格的体外和体外研究得到证实。然而，为了完全确定其治疗潜力，必须通过使用细菌感染的伤口模型进行体内研究来证实MFC的伤口愈合能力。此外，迫切需要进行全面分析，以充分掌握MFC产生的电流对感染创面愈合过程的影响。

这种探索应该包括确定在维持组织健康和功能的同时增强愈合的精确电流水平。虽然电刺激已被证明在治疗感染方面有效，但它也通过促进上皮化、促进成纤维细胞迁移和增强血管生成提供了有前景的治疗益处，从而在伤口治疗中提供了重要的机会。此外，虽然枯草芽孢杆菌产生的化合物的抗菌作用已经得到了证实，但它们在MFC的操作阶段和整个发芽周期中产生的具体机制仍需要深入研究。开展此类研究对于完善MFC设计以获得最佳治疗效果、确保病原菌清除和促进创面修复至关重要。