活性金屬硼化物晶格中呈現(xiàn)出極其豐富的鍵合模式，其能水解產(chǎn)生中間產(chǎn)物硼氫納米片、以及釋放離子等特性，賦予了硼化物材料的多功能性。
另外，此次提出的“硼捕獲”新策略，揭示了活性金屬硼化物可以通過結(jié)合細(xì)菌細(xì)胞壁的關(guān)鍵多糖組分（脂多糖/肽聚糖），來破壞細(xì)菌結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)殺菌。
系列對比實驗結(jié)果顯示，該策略的殺菌活性與阿米卡星、慶大霉素和環(huán)丙沙星等經(jīng)典抗生素的作用效果相當(dāng)，甚至抗菌效果遠(yuǎn)優(yōu)于氨曲南、氨芐西林和舒巴坦等抗生素。
值得一提的是，活性金屬硼化物通過破壞細(xì)菌結(jié)構(gòu)進行殺菌的機制，可以降低細(xì)菌的耐藥性，有望實現(xiàn)更長效的殺菌效果。
因此，作為一種高效的抗菌組分，把該材料加入紡織品中，可以抑制細(xì)菌滋生、防止異味的產(chǎn)生；也可做成抗菌涂層，涂敷在金屬植入物或醫(yī)療器械表面，實現(xiàn)高效的殺菌消毒。
另據(jù)悉，活性金屬硼化物不僅具備抗菌功能，還可以利用“硼捕獲”功能，結(jié)合死菌釋放的游離脂多糖/肽聚糖，高效地抑制死菌誘導(dǎo)的過度炎癥反應(yīng)。
因而，該材料也可用于皮膚感染、創(chuàng)面感染和胃腸道潰瘍等一系列細(xì)菌感染相關(guān)的疾病，解決傳統(tǒng)抗菌劑僅限于殺活菌、無法抑制死菌誘導(dǎo)宿主導(dǎo)致過度炎癥的臨床難題。
該團隊進一步發(fā)現(xiàn)，活性金屬硼化物的“硼捕獲”特性，可以通過絡(luò)合糖的關(guān)鍵位點，進而影響糖的功能，從而在治療糖尿病并發(fā)癥和其它糖代謝類型疾病中發(fā)揮重要作用。
他們預(yù)測這類材料的可控釋放離子特性，也具備調(diào)控離子電流的潛力，有望在神經(jīng)疾病相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮潛在的重要作用。
實現(xiàn)感染創(chuàng)面的高效治療
據(jù)介紹，細(xì)菌感染是慢性創(chuàng)面無法愈合的重要原因，嚴(yán)重時可導(dǎo)致敗血癥、多器官衰竭甚至死亡。
目前，臨床主要利用抗生素和抗菌類納米藥物等治療創(chuàng)面感染。這些藥物雖然可以有效地抑制細(xì)菌生長，然而死亡細(xì)菌會釋放大量的游離脂多糖或肽聚糖，這會激活宿主免疫細(xì)胞從而引起過度炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致創(chuàng)面長期無法愈合，極大限制了該類藥物的治療效果。
因此，如何讓藥物兼具抑制活菌生長、以及死菌誘導(dǎo)過度炎癥的雙重功能，是目前亟需解決的科學(xué)問題。
活菌和死菌阻礙創(chuàng)面愈合的示意圖
已有文獻表明，病原體的某些關(guān)鍵組分，對其結(jié)構(gòu)和功能起著關(guān)鍵作用。例如，脂多糖/肽聚糖分別是革蘭氏陰性細(xì)菌和革蘭氏陽性細(xì)菌的關(guān)鍵組分。
一方面，脂多糖/肽聚糖是細(xì)菌細(xì)胞壁的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組分，起著維持細(xì)菌結(jié)構(gòu)的完整性和保護細(xì)菌免受抗菌劑殺傷的作用。
另一方面，脂多糖/肽聚糖也是細(xì)菌毒素的主要功能組分，可從死菌的外膜釋放出來，其還具有高度的免疫原性，會誘導(dǎo)宿主產(chǎn)生過度炎癥進而破壞宿主組織。
值得注意的是，脂多糖/肽聚糖含有的多糖成分，均含有典型的 1,2-或 1,3-鄰雙羥基基團，該類基團是脂多糖/肽聚糖發(fā)揮相應(yīng)功能的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
因此，該團隊推測，如若利用化學(xué)手段捕獲脂多糖/肽聚糖的關(guān)鍵基團，不僅能在結(jié)構(gòu)上抑制活菌的存活能力，同時也能在功能上抑制死菌誘導(dǎo)的過度炎癥，借此實現(xiàn)促進創(chuàng)面高效愈合的目的。
那么，如何從材料學(xué)角度設(shè)計新型功能材料，通過捕獲細(xì)菌的關(guān)鍵組分——脂多糖/肽聚糖，讓材料兼具抑制活菌生長和抑制死菌誘導(dǎo)過度炎癥的雙重功能，是實現(xiàn)感染創(chuàng)面高效治療的關(guān)鍵所在。
基于此，該團隊首先想到了硼酸鹽類材料，該類材料富含硼雙羥基，能與糖的鄰雙羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，生成動態(tài)的硼酸酯鍵。這種動態(tài)共價鍵已被廣泛用于識別血液支撐、葡萄糖和三磷酸腺苷等物質(zhì)。
遺憾的是，在酸性條件和炎癥條件下，硼酸酯鍵非常容易解離，可能硼酸鹽類材料并不適用于此類疾病模型。
為此，該團隊進一步思考，能否通過對材料加以設(shè)計，借此提高硼酸酯鍵在病理微環(huán)境的穩(wěn)定性？
在對“硼酸-糖絡(luò)合”這一經(jīng)典反應(yīng)加以調(diào)研之后，他們發(fā)現(xiàn)硼酸酯鍵的穩(wěn)定性與硼元素的構(gòu)型密切相關(guān)。
在堿性條件下，硼元素的構(gòu)型可由 sp2 向 sp3 轉(zhuǎn)變，該過程能引起硼雙羥基的鍵角發(fā)生變化，從而有效釋放環(huán)狀硼酸酯鍵的鍵張力，進而提高硼酸酯鍵的穩(wěn)定性。
依據(jù)上述原則，該團隊認(rèn)為設(shè)計可形成穩(wěn)定硼酸酯鍵的材料，將是高效捕獲脂多糖/肽聚糖的關(guān)鍵。
基于上述背景，他們設(shè)計合成了這類活性金屬硼化物，它可以水解生成硼雙羥基和氫氧根，并釋放金屬陽離子。
其中，氫氧根營造的堿性微環(huán)境，可以讓硼原子構(gòu)型從 sp2 轉(zhuǎn)向 sp3，借此促進硼雙羥基與糖的鄰雙羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，從而形成穩(wěn)定的硼酸酯鍵。
這也意味著，利用這類“硼捕獲”新機制，可以捕獲細(xì)菌表面的脂多糖/肽聚糖：一方面通過破壞活菌的結(jié)構(gòu)進行殺菌，另一方面通過中和死菌釋放的毒素抗炎，最終高效促進感染創(chuàng)面的愈合。
通過這一策略，他們解決了傳統(tǒng)抗菌劑僅限于殺活菌、而無法抑制死菌誘導(dǎo)過度炎癥的臨床瓶頸問題。
利用“硼捕獲”機制進行抗菌抑炎的示意圖
但是，問題隨之而來，活性金屬硼化物捕獲細(xì)菌表面的脂多糖/肽聚糖之后，又是如何實現(xiàn)抗菌和抑炎的
分子生物學(xué)機制研究顯示，活性金屬硼化物與細(xì)菌表面脂多糖/肽聚糖結(jié)合后，可以顯著提高細(xì)菌表面局域陽離子、比如 Mg 離子的濃度，借此能夠改變細(xì)菌外膜的膜電位，進而破壞膜的通透性，最終激活細(xì)菌 RNA 降解信號通路，起到高效殺菌的功能。
另一方面，活性金屬硼化物與死菌釋放的游離脂多糖/肽聚糖結(jié)合之后，可以有效抑制游離脂多糖/肽聚糖誘導(dǎo)的 MAPKs，包括 P38、Erk 和 JNK 信號通路的磷酸化，從而起到抑制炎癥反應(yīng)的作用。
一系列的活體實驗結(jié)果顯示，活性金屬硼化物具備顯著促進小鼠感染創(chuàng)面愈合的能力?？梢哉f，該研究不僅解決了前人研究中被忽略的死菌易導(dǎo)致過度炎癥的關(guān)鍵瓶頸問題，也開創(chuàng)性地揭示了活性金屬硼化物在抗菌和抑炎等方面的新機制，有望為新型抗菌、促創(chuàng)面愈合治療劑的開發(fā)以及臨床抗感染疾病的治療提供新思路。
總結(jié)以上，步文博團隊將該類活性金屬硼化物材料歸納為“硼磁”材料，提出“硼磁”捕獲細(xì)菌關(guān)鍵組分策略，并揭示其抗菌和抑炎的功能機制，該策略可實現(xiàn)感染創(chuàng)面的高效治療。
活性金屬硼化物和細(xì)菌的兩個“同與不同”
回首來路，課題來源于他們發(fā)現(xiàn)感染創(chuàng)面難愈合的主要緣故，是因為無法兼顧殺活菌和抑制死菌誘導(dǎo)的過度炎癥。
為解決這一瓶頸問題，他們聚焦于活菌和死菌共有的關(guān)鍵多糖組分 (脂多糖/肽聚糖)，借鑒硼雙羥基可與鄰雙羥基發(fā)生的經(jīng)典的酯化反應(yīng)，巧妙利用硼酸類材料水解產(chǎn)生的硼雙羥基絡(luò)合細(xì)菌的脂多糖/肽聚糖，阻斷細(xì)菌的生物學(xué)效應(yīng)。
同時，為克服硼酸酯鍵在酸性和炎癥條件下易解離這一瓶頸問題，該團隊設(shè)計合成了一類新型活性金屬硼化物材料體系，推測其水解釋放的氫氧根可營造堿性微環(huán)境，有助于提升硼酸酯鍵的穩(wěn)定性。
接下來，研究進入可行性的驗證階段。具體來說，該團隊采用改進的高溫自蔓延燃燒法，他們制備了一系列粒徑在 200nm 左右的活性金屬硼化物。
以硼化鎂為例，該研究團隊首先驗證了材料在水解時，通過釋放氫氧根來營造堿性微環(huán)境的特性。
期間，他們觀測到活性金屬硼化物可與脂多糖/肽聚糖絡(luò)合形成硼酸酯鍵。再加上初步的抗菌實驗，證明硼化鎂具有優(yōu)異的抗菌性能，也讓課題的可行性得以驗證。
隨后，研究進入系統(tǒng)測試材料功能特性的階段。該團隊分析了系列活性金屬硼化物水解產(chǎn)生硼雙羥基、氫氧根以及釋放金屬離子的特性，并采用紅外光譜等測試技術(shù)，證明這一系列的活性金屬硼化物都能和脂多糖/肽聚糖以及細(xì)菌發(fā)生反應(yīng)，從而生成硼酸酯鍵。
進一步地，通過理論計算他們發(fā)現(xiàn)活性金屬硼化物能和脂多糖絡(luò)合生成的硼酸酯鍵，其鍵能也強于所對應(yīng)的硼酸絡(luò)合。通過 SEM-mapping，該團隊還觀測到活性金屬硼化物比硼酸更容易結(jié)合在細(xì)菌細(xì)胞壁這一關(guān)鍵實驗數(shù)據(jù)，證明活性金屬硼化物能和脂多糖/肽聚糖形成穩(wěn)定硼酸酯鍵。
接下來，研究進入了揭示活性金屬硼化物的抗菌和抑炎功能機制的階段。期間，該團隊先后采用流式細(xì)胞術(shù)、生物電鏡、激光共聚焦等測試手段，評估了活性金屬硼化物優(yōu)異的抗菌效果，觀察到活性金屬硼化物可以改變細(xì)菌細(xì)胞膜的膜電位，同時細(xì)菌細(xì)胞膜也發(fā)生了破裂。
然后，通過轉(zhuǎn)錄組測序?qū)嶒炈麄儼l(fā)現(xiàn)，活性金屬硼化物導(dǎo)致細(xì)菌死亡的原因，與細(xì)菌內(nèi)過度激活的 RNA 降解信號通路密切相關(guān)。
基于上述結(jié)果，該團隊做出以下推測：活性金屬硼化物與細(xì)菌表面脂多糖/肽聚糖結(jié)合后，可以顯著提升細(xì)菌表面局域的金屬陽離子濃度，從而改變細(xì)菌外膜的膜電位而破壞膜的通透性，進而激活細(xì)菌 RNA 降解信號通路，最終實現(xiàn)了高效殺菌。
另一方面，通過免疫細(xì)胞激活實驗，該團隊還證明：活性金屬硼化物可以結(jié)合死菌釋放的游離游離脂多糖/肽聚糖，進而抑制游離脂多糖/肽聚糖誘導(dǎo)的 MAPKs，包括 P38、Erk 和 JNK 信號通路的磷酸化，借此起到高效抑炎的效果。
最后一步，則是活體小鼠的功能驗證階段。在細(xì)菌感染小鼠模型、死細(xì)菌引起炎癥的小鼠模型、以及感染的創(chuàng)面模型中，該團隊系統(tǒng)性地驗證了材料的抗感染、抗炎及促進感染創(chuàng)面的功能，并從病理切片和免疫熒光水平，同時驗證了活性金屬硼化物的抗菌、抑炎和促進感染創(chuàng)面愈合的功效。至此，終于為本次課題劃上圓滿的句號。
對于研究過程，步文博還講了這樣一個花絮：“實驗前期，我們試著合成了一系列水相可分解的活性金屬硼化物，并驗證材料是否具備設(shè)想的抗菌功能。
初步實驗結(jié)果給我們帶來了很大驚喜——該系列的活性金屬硼化物均具有優(yōu)異的抗菌活性。值得一提的是，對于同一種細(xì)菌的抗菌活性，不同類型的活性金屬硼化物并不一樣；對于不同種類的細(xì)菌，同一類型的活性金屬硼化物也呈現(xiàn)出不同的抗菌活性。”
這表明，不同活性金屬硼化物的抗菌功能是存在差異的，未來還有很大的空間去探索各類材料的特性、挖掘材料的抗菌新機制、以及優(yōu)化材料的抗菌功能。
“彼之砒霜，此之甘飴”
在設(shè)計材料時，步文博無意間與一位超導(dǎo)領(lǐng)域的研究人員交流，借此了解到該領(lǐng)域的經(jīng)典材料二硼化鎂存在遇潮分解而影響后續(xù)實驗性能的獨特現(xiàn)象。
“出于逆向思維的思考，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)該類材料應(yīng)用于超導(dǎo)領(lǐng)域時存在的穩(wěn)定性差這一固有缺陷，但這恰好可以被生醫(yī)領(lǐng)域所利用，進而轉(zhuǎn)變?yōu)楠毦咛厣男阅軆?yōu)勢。”步文博說。
同時，該成果由復(fù)旦大學(xué)的材料工作者與同濟大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院的生醫(yī)研究者聯(lián)合完成，這充分體現(xiàn)了醫(yī)工交叉、以及不同學(xué)科人員緊密合作的重要性，這種合作模式也發(fā)揮了高校和醫(yī)院的各自優(yōu)勢。
接下來，該團隊將深入研究活性金屬硼化物獨特的“硼捕獲”材料學(xué)機制。前面提到，此次研究里他們明確觀察到活性金屬硼化物與普通硼酸組分的“硼捕獲”性能差異，因此后續(xù)將從硼化物含硼組分的多中心成鍵特性的角度進行挖掘。
其次，該團隊還將探索活性金屬硼化物“硼捕獲”的抗菌新機制。如前所述，對于同一種細(xì)菌的抗菌效果，不同活性金屬硼化物的效果并不相同；對于不同的細(xì)菌，即便是同一種活性金屬硼化物也會呈現(xiàn)不一樣的活性。
因此，他們將探索相關(guān)的分子生物學(xué)機制，助力篩選出具備最優(yōu)功能的抗菌劑、以及尋找制造抗菌劑的最優(yōu)方案。
當(dāng)然，該團隊也將努力推動活性金屬硼化物的臨床轉(zhuǎn)化。目前，該成果已經(jīng)申報相關(guān)專利。接下來，他們將系統(tǒng)研究活性金屬硼化物在生物體內(nèi)外的安全性，開發(fā)相關(guān)的水凝膠、粉劑和貼劑等產(chǎn)品，以便評估該類產(chǎn)品的生物活性和穩(wěn)定性，最終推動臨床轉(zhuǎn)化。
