科学家研发活性金属硼化物，通过捕获细菌关键组分杀菌抑炎，将着手开发粉剂和贴剂等产品

来源：DeepTech深科技

复旦大学材料科学系教授步文博，曾连续 4 年入选科睿唯安全球高被引科学家。而在最近，他和团队制备的活性金属硼化物（MB NPs，metal-boride nanoparticles），给生物医用材料领域提供了一类极具临床应用价值的材料“宝库”。

活性金属硼化物晶格中呈现出极其丰富的键合模式，其能水解产生中间产物硼氢纳米片、以及释放离子等特性，赋予了硼化物材料的多功能性。

另外，此次提出的“硼捕获”新策略，揭示了活性金属硼化物可以通过结合细菌细胞壁的关键多糖组分（脂多糖/肽聚糖），来破坏细菌结构从而实现杀菌。

系列对比实验结果显示，该策略的杀菌活性与阿米卡星、庆大霉素和环丙沙星等经典抗生素的作用效果相当，甚至抗菌效果远优于氨曲南、氨苄西林和舒巴坦等抗生素。

值得一提的是，活性金属硼化物通过破坏细菌结构进行杀菌的机制，可以降低细菌的耐药性，有望实现更长效的杀菌效果。

因此，作为一种高效的抗菌组分，把该材料加入纺织品中，可以抑制细菌滋生、防止异味的产生；也可做成抗菌涂层，涂敷在金属植入物或医疗器械表面，实现高效的杀菌消毒。

另据悉，活性金属硼化物不仅具备抗菌功能，还可以利用“硼捕获”功能，结合死菌释放的游离脂多糖/肽聚糖，高效地抑制死菌诱导的过度炎症反应。

因而，该材料也可用于皮肤感染、创面感染和胃肠道溃疡等一系列细菌感染相关的疾病，解决传统抗菌剂仅限于杀活菌、无法抑制死菌诱导宿主导致过度炎症的临床难题。

该团队进一步发现，活性金属硼化物的“硼捕获”特性，可以通过络合糖的关键位点，进而影响糖的功能，从而在治疗糖尿病并发症和其它糖代谢类型疾病中发挥重要作用。

他们预测这类材料的可控释放离子特性，也具备调控离子电流的潜力，有望在神经疾病相关领域发挥潜在的重要作用。

实现感染创面的高效治疗

据介绍，细菌感染是慢性创面无法愈合的重要原因，严重时可导致败血症、多器官衰竭甚至死亡。

目前，临床主要利用抗生素和抗菌类纳米药物等治疗创面感染。这些药物虽然可以有效地抑制细菌生长，然而死亡细菌会释放大量的游离脂多糖或肽聚糖，这会激活宿主免疫细胞从而引起过度炎症反应，导致创面长期无法愈合，极大限制了该类药物的治疗效果。

因此，如何让药物兼具抑制活菌生长、以及死菌诱导过度炎症的双重功能，是目前亟需解决的科学问题。

图 | 活菌和死菌阻碍创面愈合的示意图（来源：步文博团队）

已有文献表明，病原体的某些关键组分，对其结构和功能起着关键作用。例如，脂多糖/肽聚糖分别是革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌的关键组分。

一方面，脂多糖/肽聚糖是细菌细胞壁的关键结构组分，起着维持细菌结构的完整性和保护细菌免受抗菌剂杀伤的作用。

另一方面，脂多糖/肽聚糖也是细菌毒素的主要功能组分，可从死菌的外膜释放出来，其还具有高度的免疫原性，会诱导宿主产生过度炎症进而破坏宿主组织。

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-邻双羟基基团，该类基团是脂多糖/肽聚糖发挥相应功能的重要结构基础。

因此，该团队推测，如若利用化学手段捕获脂多糖/肽聚糖的关键基团，不仅能在结构上抑制活菌的存活能力，同时也能在功能上抑制死菌诱导的过度炎症，借此实现促进创面高效愈合的目的。

那么，如何从材料学角度设计新型功能材料，通过捕获细菌的关键组分——脂多糖/肽聚糖，让材料兼具抑制活菌生长和抑制死菌诱导过度炎症的双重功能，是实现感染创面高效治疗的关键所在。

基于此，该团队首先想到了硼酸盐类材料，该类材料富含硼双羟基，能与糖的邻双羟基发生酯化反应，生成动态的硼酸酯键。这种动态共价键已被广泛用于识别血液支撑、葡萄糖和三磷酸腺苷等物质。

遗憾的是，在酸性条件和炎症条件下，硼酸酯键非常容易解离，可能硼酸盐类材料并不适用于此类疾病模型。

为此，该团队进一步思考，能否通过对材料加以设计，借此提高硼酸酯键在病理微环境的稳定性？

在对“硼酸-糖络合”这一经典反应加以调研之后，他们发现硼酸酯键的稳定性与硼元素的构型密切相关。

在碱性条件下，硼元素的构型可由 sp2向 sp3 转变，该过程能引起硼双羟基的键角发生变化，从而有效释放环状硼酸酯键的键张力，进而提高硼酸酯键的稳定性。

依据上述原则，该团队认为设计可形成稳定硼酸酯键的材料，将是高效捕获脂多糖/肽聚糖的关键。

基于上述背景，他们设计合成了这类活性金属硼化物，它可以水解生成硼双羟基和氢氧根，并释放金属阳离子。

其中，氢氧根营造的碱性微环境，可以让硼原子构型从 sp2 转向 sp3，借此促进硼双羟基与糖的邻双羟基发生酯化反应，从而形成稳定的硼酸酯键。

这也意味着，利用这类“硼捕获”新机制，可以捕获细菌表面的脂多糖/肽聚糖：一方面通过破坏活菌的结构进行杀菌，另一方面通过中和死菌释放的毒素抗炎，最终高效促进感染创面的愈合。

通过这一策略，他们解决了传统抗菌剂仅限于杀活菌、而无法抑制死菌诱导过度炎症的临床瓶颈问题。

图 | 利用“硼捕获”机制进行抗菌抑炎的示意图（来源：步文博团队）

同济大学附属第十人民医院孟云、复旦大学材料科学系博士后陈励捷、同济大学生命科学与技术学院助理教授陈杨为论文共同第一作者，复旦大学材料科学系教授步文博和同济大学附属第十人民医院、同济大学医学院研究员吴叶林担任共同通讯作者 [1]。

活性金属硼化物和细菌的两个“同与不同”

回首来路，课题来源于他们发现感染创面难愈合的主要缘故，是因为无法兼顾杀活菌和抑制死菌诱导的过度炎症。

为解决这一瓶颈问题，他们聚焦于活菌和死菌共有的关键多糖组分 (脂多糖/肽聚糖)，借鉴硼双羟基可与邻双羟基发生的经典的酯化反应，巧妙利用硼酸类材料水解产生的硼双羟基络合细菌的脂多糖/肽聚糖，阻断细菌的生物学效应。

同时，为克服硼酸酯键在酸性和炎症条件下易解离这一瓶颈问题，该团队设计合成了一类新型活性金属硼化物材料体系，推测其水解释放的氢氧根可营造碱性微环境，有助于提升硼酸酯键的稳定性。

接下来，研究进入可行性的验证阶段。具体来说，该团队采用改进的高温自蔓延燃烧法，他们制备了一系列粒径在 200nm 左右的活性金属硼化物。

以硼化镁为例，该研究团队首先验证了材料在水解时，通过释放氢氧根来营造碱性微环境的特性。

期间，他们观测到活性金属硼化物可与脂多糖/肽聚糖络合形成硼酸酯键。再加上初步的抗菌实验，证明硼化镁具有优异的抗菌性能，也让课题的可行性得以验证。

随后，研究进入系统测试材料功能特性的阶段。该团队分析了系列活性金属硼化物水解产生硼双羟基、氢氧根以及释放金属离子的特性，并采用红外光谱等测试技术，证明这一系列的活性金属硼化物都能和脂多糖/肽聚糖以及细菌发生反应，从而生成硼酸酯键。

进一步地，通过理论计算他们发现活性金属硼化物能和脂多糖络合生成的硼酸酯键，其键能也强于所对应的硼酸络合。通过 SEM-mapping，该团队还观测到活性金属硼化物比硼酸更容易结合在细菌细胞壁这一关键实验数据，证明活性金属硼化物能和脂多糖/肽聚糖形成稳定硼酸酯键。

接下来，研究进入了揭示活性金属硼化物的抗菌和抑炎功能机制的阶段。期间，该团队先后采用流式细胞术、生物电镜、激光共聚焦等测试手段，评估了活性金属硼化物优异的抗菌效果，观察到活性金属硼化物可以改变细菌细胞膜的膜电位，同时细菌细胞膜也发生了破裂。

然后，通过转录组测序实验他们发现，活性金属硼化物导致细菌死亡的原因，与细菌内过度激活的 RNA 降解信号通路密切相关。

基于上述结果，该团队做出以下推测：活性金属硼化物与细菌表面脂多糖/肽聚糖结合后，可以显著提升细菌表面局域的金属阳离子浓度，从而改变细菌外膜的膜电位而破坏膜的通透性，进而激活细菌 RNA 降解信号通路，最终实现了高效杀菌。

另一方面，通过免疫细胞激活实验，该团队还证明：活性金属硼化物可以结合死菌释放的游离游离脂多糖/肽聚糖，进而抑制游离脂多糖/肽聚糖诱导的 MAPKs，包括 P38、Erk 和 JNK 信号通路的磷酸化，借此起到高效抑炎的效果。

最后一步，则是活体小鼠的功能验证阶段。在细菌感染小鼠模型、死细菌引起炎症的小鼠模型、以及感染的创面模型中，该团队系统性地验证了材料的抗感染、抗炎及促进感染创面的功能，并从病理切片和免疫荧光水平，同时验证了活性金属硼化物的抗菌、抑炎和促进感染创面愈合的功效。至此，终于为本次课题划上圆满的句号。

对于研究过程，步文博还讲了这样一个花絮：“实验前期，我们试着合成了一系列水相可分解的活性金属硼化物，并验证材料是否具备设想的抗菌功能。

初步实验结果给我们带来了很大惊喜——该系列的活性金属硼化物均具有优异的抗菌活性。值得一提的是，对于同一种细菌的抗菌活性，不同类型的活性金属硼化物并不一样；对于不同种类的细菌，同一类型的活性金属硼化物也呈现出不同的抗菌活性。”

这表明，不同活性金属硼化物的抗菌功能是存在差异的，未来还有很大的空间去探索各类材料的特性、挖掘材料的抗菌新机制、以及优化材料的抗菌功能。

“彼之砒霜，此之甘饴”

在设计材料时，步文博无意间与一位超导领域的研究人员交流，借此了解到该领域的经典材料二硼化镁存在遇潮分解而影响后续实验性能的独特现象。

“出于逆向思维的思考，我们发现当该类材料应用于超导领域时存在的稳定性差这一固有缺陷，但这恰好可以被生医领域所利用，进而转变为独具特色的性能优势。”步文博说。

同时，该成果由复旦大学的材料工作者与同济大学附属第十人民医院的生医研究者联合完成，这充分体现了医工交叉、以及不同学科人员紧密合作的重要性，这种合作模式也发挥了高校和医院的各自优势。

接下来，该团队将深入研究活性金属硼化物独特的“硼捕获”材料学机制。前面提到，此次研究里他们明确观察到活性金属硼化物与普通硼酸组分的“硼捕获”性能差异，因此后续将从硼化物含硼组分的多中心成键特性的角度进行挖掘。

其次，该团队还将探索活性金属硼化物“硼捕获”的抗菌新机制。如前所述，对于同一种细菌的抗菌效果，不同活性金属硼化物的效果并不相同；对于不同的细菌，即便是同一种活性金属硼化物也会呈现不一样的活性。

因此，他们将探索相关的分子生物学机制，助力筛选出具备最优功能的抗菌剂、以及寻找制造抗菌剂的最优方案。

当然，该团队也将努力推动活性金属硼化物的临床转化。目前，该成果已经申报相关专利。接下来，他们将系统研究活性金属硼化物在生物体内外的安全性，开发相关的水凝胶、粉剂和贴剂等产品，以便评估该类产品的生物活性和稳定性，最终推动临床转化。

参考资料：

1.Meng, Y., Chen, L., Chen, Y. et al. Reactive metal boride nanoparticles trap lipopolysaccharide and peptidoglycan for bacteria-infected wound healing. Nat Commun 13, 7353 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35050-6