華中農大動物科學技術學院、動物醫學院精準獸藥創制與環境消減技術開發團隊巧妙設計了具有級聯光動力療法和營養免疫療法協同作用的精準納米系統，以新型的抗菌機制高效抗生物被膜感染，相關成果以“Targeting and Arginine-driven Synergizing Photodynamic Therapy with Nutritional Immunotherapy Nanosystems for Combating MRSA Biofilms”為題發表在Science advances上。本研究以PCN-224為光動力平臺，開發一種靶向耐甲氧西林金黃色葡萄球菌生物被膜的精氨酸驅動的光動力與營養免疫協同治療的復合納米系統，并系統研究了該復合納米系統對生物被膜的殺傷活性及其作用機制。
耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）是一種重要的人獸共患病原菌。MRSA可以利用生物被膜逃避宿主免疫系統和抗菌藥物的殺傷作用而導致頑固性感染，嚴重威脅人類健康，也給畜牧業造成了巨大的經濟損失。常規抗菌藥由于其非特異性分布和生物被膜屏障常常導致其療效低下，并極易誘導細菌耐藥性。因此，迫切需要開發具有高效抗生物被膜作用且不易誘導耐藥性的新型治療策略。
光動力療法通過產生活性氧實現對細菌的非特異性殺傷且不易誘導細菌耐藥性。為此，本研究巧妙設計了基于光動力觸發的級聯反應核殼復合納米系統（Arg-PCN@Gel）。該納米系統可以靶向MRSA的自溶素（atl）而高效黏附于生物被膜，并在MRSA感染部位高表達的金屬基質酶的作用下釋放內核Arg-PCN。在紅光照射下，Arg-PCN@Gel可以通過級聯反應產生ROS、RNOS等多種活性物質，并驅動精氨酸產生NO信號分子增強宿主免疫反應，協同預防和殺傷生物膜。復合納米系統主要通過下調cidA、icaA、arsR、copZ、codY、ccpA等來抑制MRSA的精氨酸代謝系統、金屬元素代謝、能量利用效率、雙組分系統和EPS的合成，以防止生物膜產生。同時，利用NO高效破壞成熟的生物膜屏障，促進ROS和ONOO-滲透到生物膜中，破壞生物被膜內MRSA的細胞壁和細胞膜。在小鼠生物被膜感染模型中，Arg-PCN@Gel可以靶向生物被膜感染部位并持續停留15天。在治療初期，復合納米系統可誘導促炎因子TNF-α和iNOS的高表達，并驅動精氨酸產生大量NO以發揮抗菌效果；在治療后期，逐漸積累的NO不僅可清除細菌，還可誘導了IL-4和Arg-1等抗炎因子的表達，利用精氨酸從促炎階段轉化為抗炎階段來促進傷口愈合。本研究為細菌生物被膜感染的治療提供了高效精準的協同替代治療方案，為解決生物被膜的治療難題提供潛在的策略。