我国科学家揭示了细菌感染的新规律，准确给药解决肠道感染问题

IT 世家 4 月 23 据日报报道，上皮细胞层是身体抵抗外界感染的第一道防线。在保持身体正常状态、保护屏障和抵抗感染的过程中，其形状和结构会不断变化。

研究表明，细菌可以通过识别器官组织的几何特征来破坏细胞层的保护作用，引起感染和传播。组织器官几何特征调节细菌感染的实际机制对于开发新的抗感染疗法至关重要，但这一科学问题尚未得到充分揭示。

4 月 21 日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学国家重点实验室研究员黄术强团队与中国农业大学教授朱奎团队、北京大学研究员黄建永团队合作，在国际学术期刊《细胞》上发布最新研究:团队通过跨学科协同创新。从“器官几何结构特征” - 细胞力信号转导 - 从病原菌感染“互作机制出发，首次揭示了组织形态特征调节细菌感染的新规律。

与此同时，该团队提出了基于力敏感离子通道蛋白质。 Piezo1 抗菌性战略，为抗菌药物提高质量、提高效率、减少毒副作用、引导合理用药提供了具有重要临床应用价值的潜在方案。

机械化导航揭秘细菌“精确打击”

研究小组结合微生物学、力学生物学和生物医学工程等多个学科的交叉研究表明，细菌感染不是随机发生的，而是由宿主组织的力学特性精确控制的。

通过建立不同组织形态的上皮细胞层模型，探索病原菌与之相互作用的时空动态过程，团队揭示了上皮单层中各种病原菌的空间感染规律呈现出明显的“边际效应”，而不是传统的随机分布。

这一感染模式与细胞层的密度密切相关：细胞层结构越密切，其边缘区域就越容易受到细菌的侵害，而且这种规律不受细胞类型或培养条件的影响。

这一发现打破了细菌随机分布的传统认知，表明不同组织形态对于控制细菌感染的空间布局具有重要作用。

▲ 细菌感染多细胞单层的“边际效应”

通过力学分析模型，研究小组进一步发现，细胞驱动力与细菌感染在上皮细胞层中具有很高的协同性，细菌很容易侵入高驱动力细胞边缘区域。就像橡皮筋拉申时两侧受力最大，由于几何限制，细胞层边缘的“强拉力”变成了细菌攻击的“热点区域”，为了理解细菌感染的空间提供了一个新的角度。

研究小组在此基础上“锁定”了关键蛋白质。 -- 力敏感离子通道蛋白质 Piezo1 功效:当细菌开始入侵时，这种能感知驱动力的蛋白质会像磁铁一样聚集在感染位置，形成特殊的气泡结构。这些气泡就像“信号增强器”，将细胞的驱动力转化为“生化信号”，促进边缘地区更多细菌聚集感染。

这一发现不仅揭示了“指挥”细菌攻击位置的力学因素的精细控制机制，也指出了一个全新的治疗方向。 —— 例如，阻隔细胞力学感应系统(例如 Piezo1 蛋白质功能)，可开发新的药物策略，防止细菌精确定位感染位置。

新的宿主导向抑菌策略：精确的给药解决肠道感染难题

基于上述“力学感应开关”的研究团队 --Piezo1 创新性地提出了“力学导航抑菌”的多效策略，是蛋白质调节细菌感染的关键。

靶向力学信号的第一步来源：尝试 Piezo1 发现抑制作为抑菌靶点， Piezo1 感染组织中的细菌载量可以显著减少表达和激活。

构建“仿生战场”的第二步：建立仿生 3D 肠芯片准确再现肠道隐窝结构(类似于肠道褶皱深处的隐蔽角落)，发现消化道细菌聚焦于隐窝结构，在感染过程中隐藏在胞质中，避免抑菌剂的杀伤作用，使传统药物难以有效渗透。

▲ 单层结构调节宿主细胞细菌感染示意图

于是，团队开发了“细菌替身”纳米递药系统，具有靶向隐窝结构。 —— 就像“特洛伊木马”一样，这些纳米颗粒外壳模拟了耐药菌的表面特性，其核心含有抗生素。。该药物输送系统不仅可以在物理空间中准确靶向感染点，实现药物空间的准确输送，还可以提高隐窝结构中抗生素的局部浓度和抗生素(如 MRSA 和 VRE）感染的疗效，这种“断其信号源” 力学导航疗法，精确送弹药，为应对耐药菌感染提供了一种新的增效减毒方法。

近年来，抗生素研发的缺乏加剧了细菌耐药性对公共卫生安全的威胁，迫切需要从多个角度开发新的抗生素策略。传统的抗生素研发过程一般只注重对细菌的杀伤作用。这项研究突破了传统的“以菌为本”的研发理念，转变为“宿主导向”的新模式。该治疗策略显著提高了抗生素抗消化道病原菌感染的疗效，不仅丰富了合理的用药方法，而且为应对全球耐药性困难提供了创新的解决方案。

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