北化徐福建团队突破铜绿假单胞菌耐药性，仿生纳米平台实现高效抗菌

抗菌药物耐药性的快速出现已成为全球公共卫生的重大挑战，尤其是铜绿假单胞菌这类革兰氏阴性致病菌，凭借其固有的外膜低通透性、外排泵高表达等特性，对多种传统抗生素产生耐药性，给临床感染治疗带来极大难题。而自上世纪80 年代以来，针对革兰氏阴性菌的新型抗生素研发进展缓慢，如何让现有抗生素重新对耐药菌起效，成为抗菌领域的研究关键。近期，北京化工大学研究团队在《Nature Communications》发表重磅研究，成功构建了一种仿生pH 响应型铈-羧苄青霉素 @姜来源细胞外囊泡纳米平台（Ce-Car@EV NPs），通过巧妙整合金属-药物配位纳米颗粒与植物源胞外囊泡的优势，从干扰细菌能量代谢入手，高效逆转铜绿假单胞菌对羧苄青霉素的耐药性，为解决抗菌药物耐药性问题提供了全新的纳米医学策略。
图1. 生物模拟Ce-Car@EVs纳米平台对抗耐药性铜绿假单胞菌感染的示意图：在小鼠肺炎模型中，该平台具有高细胞内抗生素滞留率及体内长期循环特性。
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精巧设计：仿生纳米平台的“双重 buff”
该纳米平台的设计兼具精准递送与智能释药两大核心优势，实现了治疗效果与生物安全性的双重提升。研究团队以羧苄青霉素（Car）为有机配体、四价铈（Ce4+）为金属节点，通过一步自组装构建铈- 羧苄青霉素配位纳米颗粒（Ce-Car NCPs），并利用姜来源的细胞外囊泡（G-EVs）对其进行包裹修饰，形成 Ce-Car@EV NPs。姜来源胞外囊泡的仿生修饰不仅赋予纳米平台良好的生物相容性，有效避免被机体单核吞噬系统清除，延长体内循环时间，还能借助感染部位的高通透性和滞留效应（EPR），实现纳米平台在感染部位的靶向富集；同时，该纳米平台具有pH 响应特性，在正常生理环境（pH7.4）下药物释放量极低，而在感染部位的酸性微环境（pH5.5）中会快速解离，定向释放 Ce4+和羧苄青霉素，既保证了抗菌效果，又最大程度减少对正常组织的损伤。
此外，分子对接实验证实，Ce4+还能增强羧苄青霉素与靶蛋白青霉素结合蛋白3（PBP3）的结合亲和力，进一步提升抗生素的抑菌效果，实现金属离子与抗生素的协同作用。
图2. Ce-Car@EV纳米颗粒的制备与表征。a Ce-Car@EV纳米颗粒制备过程示意图。b Ce-Car纳米颗粒、G-EVs及Ce-Car@EV纳米颗粒的TEM图像。图像显示三次独立实验中结果相似的其中一个。c Ce-Car纳米颗粒的HOMO与 LUMO 能级部分电荷密度图。d Car与Ce-Car纳米颗粒的 FTIR 谱。e Ce-Car纳米颗粒、G-EVs及Ce-Car@EV纳米颗粒的Zeta电位（n=3个独立样本）。f Ce-Car@EV纳米颗粒在Tris-HCl中于pH 5.5和7.4条件下释放Car的曲线（n=3个独立样本）。g 使用SDS-PAGE对G-EVs和Ce-Car@EV纳米颗粒进行蛋白质分析。在无Ce(IV)(h)或有Ce(IV)(i)存在时，Car与青霉素结合蛋白3（PBP3）的分子对接模拟。蛋白质以卡通模型显示，Car以棍状模型呈现。氢键、 π - π 相互作用、范德华/疏水相互作用及静电相互作用分别用红色、蓝色、黄色和紫色虚线表示。数据以均值±标准差表示。
图3. Ce-Car@EV纳米颗粒的体外抗菌性能。a 标准铜绿假单胞菌（ATCC27853）在不同浓度的Ce-Car@EV NPs处理2小时后的存活率，pH值为5.5和7.4（n = 3个独立样本）。b 不同pH条件下（pH 5.5和pH 7.4）用Ce-Car@EV NPs处理的铜绿假单胞菌的活/死染色。比例尺 = 25 µm 。c 不同pH条件下用Ce-Car@EV NPs处理的铜绿假单胞菌的SEM图像。图像显示三次独立实验中结果相似的一次。比例尺 = 500 nm。d Car与Ce(IV)对铜绿假单胞菌协同效应的棋盘稀释试验（n = 3个独立样本）。e Ce-Car@EV NPs诱导的铜绿假单胞菌对Car的30代耐药性发展（n = 3个独立样本）。f Car与Ce(IV)对耐药铜绿假单胞菌（PA-15R）协同效应的棋盘稀释试验（n = 3个独立样本）。g Car和Ce-Car@EV NPs对耐药铜绿假单胞菌（PA-15R）的抗菌效果（n = 3个独立样本）。h 不同浓度的Car和Ce-Car@EV NPs共孵育4小时后耐药铜绿假单胞菌（PA-15R）的存活率（n = 3个独立样本）。i 不同浓度的Car和Ce-Car@EV NPs处理后耐药铜绿假单胞菌（PA-15R）的相应平板计数数据（n = 3个独立样本）。数据以均值±标准差表示。采用双尾Student‘s t检验计算统计学显著性。
三重机制：从根源瓦解细菌耐药性
与传统抗菌策略不同，该纳米平台并非单纯依靠抗生素的杀菌作用，而是通过Ce4+的多重作用，从能量代谢干扰、外排泵抑制、抗生素增效三个维度，全方位瓦解铜绿假单胞菌的耐药机制，让羧苄青霉素重新发挥作用。
1.耗竭ATP，破坏能量供应：Ce4+可穿透细菌细胞膜，水解细菌内的腺苷三磷酸（ATP），同时显著下调细菌氧化磷酸化、糖酵解和三羧酸循环相关基因的表达，干扰细菌呼吸链功能，导致质子动力势耗散，从根源上切断细菌的能量来源。
2.抑制外排泵，减少抗生素外排：ATP 是细菌外排泵发挥功能的核心能量，ATP 的耗竭直接导致外排泵失去能量供应；同时，Ce4+可使铜绿假单胞菌中高表达的外排泵相关基因（mexA、mexB、oprM 等）恢复至正常水平，有效抑制抗生素的外排，提升胞内抗生素浓度。
3.协同抗生素，增强杀菌效果：Ce4+增强羧苄青霉素与靶蛋白的结合能力，同时能量匮乏的细菌自身防御能力大幅下降，无法抵御羧苄青霉素对细胞壁合成的抑制作用，二者协同实现高效杀菌。
图4. Ce-Car@EV纳米颗粒克服铜绿假单胞菌耐药性的机制。a 三组差异表达基因的维恩图。b 不同处理后细菌差异表达基因的火山图。c PA-30M与PA-30R细胞间差异表达基因的基因本体（GO）注释分析。d PA-30M与PA-30R细胞间差异表达基因的 KEGG 富集分析。气泡大小代表基因数量，气泡颜色对应不同Q值范围。e 基于表达模式的细菌多药外排相关基因聚类分析。f PA、PA-30R和PA-30M细胞中氧化磷酸化相关基因的热图。g PA、PA-30R和PA-30M细胞中三羧酸循环和糖酵解相关基因的热图。h Ce-Car@EV纳米颗粒作用于氧化磷酸化过程的示意图。i 不同浓度Ce-Car@EV纳米颗粒直接孵育后ATP含量（n=4个独立样本）。j 不同浓度Ce-Car@EV纳米颗粒处理24小时后铜绿假单胞菌细胞内ATP含量（n=4个独立样本）。k Ce-Car纳米颗粒对细菌呼吸链复合体I和IV活性的影响（n=4个独立样本）。l 不同浓度Ce-Car@EV纳米颗粒对耐药铜绿假单胞菌药物外排泵活性的影响（n=3个独立样本）。数据以均值±标准差表示。i、j和l的统计学显著性检验采用单因素方差分析（ANOVA）结合Tukey事后检验进行计算，而k的检验则采用双尾Student t检验。h图由BioRender.com生成。
体外实验证实，该纳米平台在酸性感染环境中对铜绿假单胞菌的杀灭率超96%，且与羧苄青霉素联用的分数抑菌浓度指数（FICI）为 0.5，呈现显著的协同抗菌效果；即使经过 30 代传代培养，铜绿假单胞菌对该纳米平台也未出现明显耐药性，而对游离羧苄青霉素的耐药性则提升了 256 倍。同时，该纳米平台对肺炎克雷伯菌等其他耐药革兰氏阴性菌也具有良好的杀菌效果，展现出广谱的抗菌潜力。
原文链接：doi:10.1038/s41467-026-69712-6