活性金屬硼化物晶格中呈現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(guò)結合細菌細胞壁的關(guān)鍵多糖組分（脂多糖/肽聚糖），來(lái)破壞細菌結構從而實(shí)現殺菌。
系列對比實(shí)驗結果顯示，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，甚至抗菌效果遠優(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(guò)破壞細菌結構進(jìn)行殺菌的機制，可以降低細菌的耐藥性，有望實(shí)現更長(cháng)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療器械表面，實(shí)現高效的殺菌消毒。
另?yè)?，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，結合死菌釋放的游離脂多糖/肽聚糖，高效地抑制死菌誘導的過(guò)度炎癥反應。
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菌感染相關(guān)的疾病，解決傳統抗菌劑僅限于殺活菌、無(wú)法抑制死菌誘導宿主導致過(guò)度炎癥的臨床難題。
該團隊進(jìn)一步發(fā)現，活性金屬硼化物的“硼捕獲”特性，可以通過(guò)絡(luò )合糖的關(guān)鍵位點(diǎn)，進(jìn)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(lèi)型疾病中發(fā)揮重要作用。
他們預測這類(lèi)材料的可控釋放離子特性，也具備調控離子電流的潛力，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(shí)現感染創(chuàng )面的高效治療
據介紹，細菌感染是慢性創(chuàng )面無(wú)法愈合的重要原因，嚴重時(shí)可導致敗血癥、多器官衰竭甚至死亡。
目前，臨床主要利用抗生素和抗菌類(lèi)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菌生長(cháng)，然而死亡細菌會(huì )釋放大量的游離脂多糖或肽聚糖，這會(huì )激活宿主免疫細胞從而引起過(guò)度炎癥反應，導致創(chuàng )面長(cháng)期無(wú)法愈合，極大限制了該類(lèi)藥物的治療效果。
因此，如何讓藥物兼具抑制活菌生長(cháng)、以及死菌誘導過(guò)度炎癥的雙重功能，是目前亟需解決的科學(xué)問(wèn)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，對其結構和功能起著(zhù)關(guān)鍵作用。例如，脂多糖/肽聚糖分別是革蘭氏陰性細菌和革蘭氏陽(yáng)性細菌的關(guān)鍵組分。
一方面，脂多糖/肽聚糖是細菌細胞壁的關(guān)鍵結構組分，起著(zhù)維持細菌結構的完整性和保護細菌免受抗菌劑殺傷的作用。
另一方面，脂多糖/肽聚糖也是細菌毒素的主要功能組分，可從死菌的外膜釋放出來(lái)，其還具有高度的免疫原性，會(huì )誘導宿主產(chǎn)生過(guò)度炎癥進(jìn)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(lèi)基團是脂多糖/肽聚糖發(fā)揮相應功能的重要結構基礎。
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，不僅能在結構上抑制活菌的存活能力，同時(shí)也能在功能上抑制死菌誘導的過(guò)度炎癥，借此實(shí)現促進(jìn)創(chuàng )面高效愈合的目的。
那么，如何從材料學(xué)角度設計新型功能材料，通過(guò)捕獲細菌的關(guān)鍵組分——脂多糖/肽聚糖，讓材料兼具抑制活菌生長(cháng)和抑制死菌誘導過(guò)度炎癥的雙重功能，是實(shí)現感染創(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(lèi)材料，該類(lèi)材料富含硼雙羥基，能與糖的鄰雙羥基發(fā)生酯化反應，生成動(dòng)態(tài)的硼酸酯鍵。這種動(dòng)態(tài)共價(jià)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(lèi)材料并不適用于此類(lèi)疾病模型。
為此，該團隊進(jìn)一步思考，能否通過(guò)對材料加以設計，借此提高硼酸酯鍵在病理微環(huán)境的穩定性？
在對“硼酸-糖絡(luò )合”這一經(jīng)典反應加以調研之后，他們發(fā)現硼酸酯鍵的穩定性與硼元素的構型密切相關(guān)。
在堿性條件下，硼元素的構型可由 sp2 向 sp3 轉變，該過(guò)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(jìn)而提高硼酸酯鍵的穩定性。
依據上述原則，該團隊認為設計可形成穩定硼酸酯鍵的材料，將是高效捕獲脂多糖/肽聚糖的關(guān)鍵。
基于上述背景，他們設計合成了這類(lèi)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(yáng)離子。
其中，氫氧根營(yíng)造的堿性微環(huán)境，可以讓硼原子構型從 sp2 轉向 sp3，借此促進(jìn)硼雙羥基與糖的鄰雙羥基發(fā)生酯化反應，從而形成穩定的硼酸酯鍵。
這也意味著(zhù)，利用這類(lèi)“硼捕獲”新機制，可以捕獲細菌表面的脂多糖/肽聚糖：一方面通過(guò)破壞活菌的結構進(jìn)行殺菌，另一方面通過(guò)中和死菌釋放的毒素抗炎，最終高效促進(jìn)感染創(chuàng )面的愈合。
通過(guò)這一策略，他們解決了傳統抗菌劑僅限于殺活菌、而無(wú)法抑制死菌誘導過(guò)度炎癥的臨床瓶頸問(wèn)題。
利用“硼捕獲”機制進(jìn)行抗菌抑炎的示意圖
但是，問(wèn)題隨之而來(lái)，活性金屬硼化物捕獲細菌表面的脂多糖/肽聚糖之后，又是如何實(shí)現抗菌和抑炎的
分子生物學(xué)機制研究顯示，活性金屬硼化物與細菌表面脂多糖/肽聚糖結合后，可以顯著(zhù)提高細菌表面局域陽(yáng)離子、比如 Mg 離子的濃度，借此能夠改變細菌外膜的膜電位，進(jìn)而破壞膜的通透性，最終激活細菌 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/肽聚糖結合之后，可以有效抑制游離脂多糖/肽聚糖誘導的 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的作用。
一系列的活體實(shí)驗結果顯示，活性金屬硼化物具備顯著(zhù)促進(jìn)小鼠感染創(chuàng )面愈合的能力?？梢哉f(shuō)，該研究不僅解決了前人研究中被忽略的死菌易導致過(guò)度炎癥的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題，也開(kāi)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(kāi)發(fā)以及臨床抗感染疾病的治療提供新思路。
總結以上，步文博團隊將該類(lèi)活性金屬硼化物材料歸納為“硼磁”材料，提出“硼磁”捕獲細菌關(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(shí)現感染創(chuàng )面的高效治療。
活性金屬硼化物和細菌的兩個(gè)“同與不同”
回首來(lái)路，課題來(lái)源于他們發(fā)現感染創(chuàng )面難愈合的主要緣故，是因為無(wú)法兼顧殺活菌和抑制死菌誘導的過(guò)度炎癥。
為解決這一瓶頸問(wèn)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，巧妙利用硼酸類(lèi)材料水解產(chǎn)生的硼雙羥基絡(luò )合細菌的脂多糖/肽聚糖，阻斷細菌的生物學(xué)效應。
同時(shí)，為克服硼酸酯鍵在酸性和炎癥條件下易解離這一瓶頸問(wèn)題，該團隊設計合成了一類(lèi)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(yíng)造堿性微環(huán)境，有助于提升硼酸酯鍵的穩定性。
接下來(lái)，研究進(jìn)入可行性的驗證階段。具體來(lái)說(shuō)，該團隊采用改進(jìn)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(shí)，通過(guò)釋放氫氧根來(lái)營(yíng)造堿性微環(huán)境的特性。
期間，他們觀(guān)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(shí)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(jìn)入系統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/肽聚糖以及細菌發(fā)生反應，從而生成硼酸酯鍵。
進(jìn)一步地，通過(guò)理論計算他們發(fā)現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的硼酸絡(luò )合。通過(guò) SEM-mapping，該團隊還觀(guān)測到活性金屬硼化物比硼酸更容易結合在細菌細胞壁這一關(guān)鍵實(shí)驗數據，證明活性金屬硼化物能和脂多糖/肽聚糖形成穩定硼酸酯鍵。
接下來(lái)，研究進(jìn)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(guān)察到活性金屬硼化物可以改變細菌細胞膜的膜電位，同時(shí)細菌細胞膜也發(fā)生了破裂。
然后，通過(guò)轉錄組測序實(shí)驗他們發(fā)現，活性金屬硼化物導致細菌死亡的原因，與細菌內過(guò)度激活的 RNA 降解信號通路密切相關(guān)。
基于上述結果，該團隊做出以下推測：活性金屬硼化物與細菌表面脂多糖/肽聚糖結合后，可以顯著(zhù)提升細菌表面局域的金屬陽(yáng)離子濃度，從而改變細菌外膜的膜電位而破壞膜的通透性，進(jìn)而激活細菌 RNA 降解信號通路，最終實(shí)現了高效殺菌。
另一方面，通過(guò)免疫細胞激活實(shí)驗，該團隊還證明：活性金屬硼化物可以結合死菌釋放的游離游離脂多糖/肽聚糖，進(jìn)而抑制游離脂多糖/肽聚糖誘導的 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。在細菌感染小鼠模型、死細菌引起炎癥的小鼠模型、以及感染的創(chuàng )面模型中，該團隊系統性地驗證了材料的抗感染、抗炎及促進(jìn)感染創(chuàng )面的功能，并從病理切片和免疫熒光水平，同時(shí)驗證了活性金屬硼化物的抗菌、抑炎和促進(jìn)感染創(chuàng )面愈合的功效。至此，終于為本次課題劃上圓滿(mǎn)的句號。
對于研究過(guò)程，步文博還講了這樣一個(gè)花絮：“實(shí)驗前期，我們試著(zhù)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想的抗菌功能。
初步實(shí)驗結果給我們帶來(lái)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，對于同一種細菌的抗菌活性，不同類(lèi)型的活性金屬硼化物并不一樣；對于不同種類(lèi)的細菌，同一類(lèi)型的活性金屬硼化物也呈現出不同的抗菌活性。”
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(lái)還有很大的空間去探索各類(lèi)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”
在設計材料時(shí)，步文博無(wú)意間與一位超導領(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實(shí)驗性能的獨特現象。
“出于逆向思維的思考，我們發(fā)現當該類(lèi)材料應用于超導領(lǐng)域時(shí)存在的穩定性差這一固有缺陷，但這恰好可以被生醫領(lǐng)域所利用，進(jìn)而轉變?yōu)楠毦咛厣男阅軆?yōu)勢。”步文博說(shuō)。
同時(shí)，該成果由復旦大學(xué)的材料工作者與同濟大學(xué)附屬第十人民醫院的生醫研究者聯(lián)合完成，這充分體現了醫工交叉、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)揮了高校和醫院的各自?xún)?yōu)勢。
接下來(lái)，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(guān)察到活性金屬硼化物與普通硼酸組分的“硼捕獲”性能差異，因此后續將從硼化物含硼組分的多中心成鍵特性的角度進(jìn)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；對于不同的細菌，即便是同一種活性金屬硼化物也會(huì )呈現不一樣的活性。
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。
當然，該團隊也將努力推動(dòng)活性金屬硼化物的臨床轉化。目前，該成果已經(jīng)申報相關(guān)專(zhuān)利。接下來(lái)，他們將系統研究活性金屬硼化物在生物體內外的安全性，開(kāi)發(fā)相關(guān)的水凝膠、粉劑和貼劑等產(chǎn)品，以便評估該類(lèi)產(chǎn)品的生物活性和穩定性，最終推動(dòng)臨床轉化。
