人工關節、內固定器械等植入物是臨床上骨科治療的重要手段 ， 90%以上的骨科手術都涉及到植入物的安放 。 然而 ， 因為植入材料本身是細菌黏附的良好載體 ， 所以容易造成術后感染并導致手術失敗 。
目前 ， 醫生通過使用抗生素作為對抗細菌感染的主要手段 ， 但細菌已進化出多種逃避抗生素殺滅的機制 ， 使得骨科術后感染治療困難重重 。
在細菌的多種耐藥機制中 ， 有一種與植入物感染特別相關的機制 。 該機制是細菌進入類似休眠的狀態 ， 而處于這種狀態下的細菌被稱為“持留菌” 。 植入物手術感染后 ， 會有大量持留菌存在于其材料表面的生物膜內 ， 或者躲藏在周圍的組織細胞內部 。
上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科暨上海市骨科內植物重點實驗室的研究人員發現 ， 鐵是持留菌所依賴的必需元素 ， 而另外一種與鐵元素結構非常近似的鎵元素 ， 能夠通過“欺騙”細菌、與鐵元素競爭性進入細菌內影響多種蛋白的合成 ， 達到干擾其鐵代謝的作用 。
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圖丨湯亭亭教授（來源：湯亭亭）
由于鎵離子在體內不穩定 ， 易形成氫氧化鎵沉淀 ， 為了提高鎵離子在體內的穩定性并達到續鎵離子的持續釋放 ， 該團隊構建了一種100nm左右的新型含鎵金屬有機框架材料GaMOF ， 結果顯示 ， 該材料可以通過干擾持留菌的鐵代謝 ， 抑制持留菌對抗生素的耐受性 ， 為醫學植入物感染的治療提供了一種定點清除持留菌的“超級炸彈” 。
2022年8月11日 ， 相關論文以《亞150納米鎵有機無機框架材料負載抗生素用于清除持留菌的“超級穿透炸彈”》（Sub150nmNanoscaleGalliumBasedMetal–OrganicFrameworksArmoredAntibioticsasSuperPenetratingBombsforEradicatingPersistentBacteria）為題在AdvancedFunctionalMaterials上發表 ， 并被選為期刊封面[1] 。
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圖丨相關論文（來源：AdvancedFunctionalMaterials）
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圖丨相關論文入選封面（來源：AdvancedFunctionalMaterials）
該論文的第一作者為上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院黃凱老師 ， 論文共同通訊作者為上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院趙杰教授、湯亭亭教授和楊盛兵副研究員 。
談及論文審稿人的評價 ， 湯亭亭教授表示：“三位審稿人對我們采用干擾細菌鐵代謝以增強抗生素對持留菌的殺傷策略非常認可 。 耐藥菌廣泛流行使抗生素的療效大打折扣 ， 同時新型抗生素的研發已有數十年未有突破 ， 傳統抗生素治療面臨巨大挑戰 ， 審稿人認為這一策略極大地拓展了很多臨床抗生素的使用范圍 ， 為應對潛在的抗生素匱乏危機帶來了新的工具 。 ”
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圖丨楊盛兵副研究員（來源：楊盛兵）
據楊盛兵介紹 ， 這項成果主要經歷了三個研究階段 ， 分別是發現并分析臨床問題和科學問題 ， 提出解決問題的策略和發展解決問題的工具 ， 以及對制備的含鎵納米抗生素“炸彈”進行生物學驗證 。
首先 ， 通過對臨床標本和動物標本的研究和觀察 ， 研究人員發現組織樣本內確實存在胞內的持留菌 ， 而持留菌的存在會導致組織細胞的死亡 ， 表現為“焦亡”的形式 ， 并伴有炎癥因子的釋放 。 同時 ， 這類細菌也需要鐵元素 ， 來維持其基本代謝 。
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圖丨感染組織內胞內菌的透射電鏡圖片（來源：AdvancedFunctionalMaterials）
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