文章题目A sustained living coating for infectious keratitis therapy via probiotic consumption and production effects文章主题基于益生菌消耗与生成双重效应、用于感染性角膜炎治疗的长效活体涂层发表期刊Science Advances影响因子13.9研究团队香港大学Ho Cheung Shum 西湖大学林海松徐淼第一作者组学技术转录组代谢组研究背景生物材料植入人体后易诱发过度炎症大量活性氧会诱导细胞凋亡同时致病菌极易在材料表面定植传统载药涂层仅能短期释药长期使用易诱发细菌耐药而感染性角膜炎作为全球高发致盲眼病现有频繁滴用抗生素、载药角膜绷带等临床手段存在依从性差、耐药风险突出等问题现有活体抗菌涂层又普遍存在益生菌活性易受损、长期抑菌能力不足或依赖抗生素分泌加剧耐药的缺陷因此亟须开发一种可长效同步实现抗炎、广谱抑菌且低耐药风险的新型生物涂层材料。研究思路研究结论本研究成功开发了一种基于聚多巴胺PDA锚定植物乳杆菌LP的活体生物涂层通过“消耗效应”PDA持续清除活性氧ROS抑制炎症诱导的角膜上皮细胞凋亡与“生产效应”LP长期稳定分泌乳酸、琥珀酸等有机酸破坏耐药菌MRSA及其持留菌的细胞膜并抑制蛋白质合成的双重协同机制在长达10周内实现了高效抗炎与广谱抗菌且不诱发细菌耐药性体内大鼠角膜炎模型证实该涂层使角膜创面愈合率达92%远超临床抗生素的50%同时展现出优异的生物相容性与无系统毒性为植入/穿戴式医疗器械的表面改性提供了“以菌治菌”的全新长效策略。图1. 活体涂层概况作用机制、功能及应用场景(A) 传统涂层制备方案。(B) 活体涂层方案。活体涂层内的益生菌可充当代谢工厂依靠消耗效应与生成效应持续发挥抗炎、抗感染作用同时最大程度避免细菌耐药问题。(C) 该活体涂层用于角膜绷带镜并且可广泛适用于多种生物材料表面伤口敷料、人工关节、牙种植体、血管支架、导尿管等。(D) 活体涂层修饰角膜绷带镜、陶瓷牙冠与导管的实物照片。(E) 消耗效应原理示意图涂层持续清除微环境中的活性氧ROS进而抑制细胞凋亡。(F) 生成效应原理示意图涂层持续释放有机酸等抑菌物质高效清除耐药菌。图2. 活体涂层的构建、制备及理化表征(A) 依靠益生菌间聚集、益生菌 - 材料表面聚集来制备活体涂层的工艺示意图。(B) 添加与不添加多巴胺条件下不同孵育时间益生菌聚集情况的显微镜图像直观展现益生菌之间的聚集行为。比例尺100 微米。(C) 添加 / 不添加多巴胺时革兰氏阳性菌鼠李糖乳杆菌 LGG、植物乳杆菌 LP、变形链球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、革兰氏阴性菌大肠杆菌、具核梭杆菌、牙龈卟啉单胞菌、铜绿假单胞菌以及真菌白色念珠菌、酿酒酵母的聚集指数对比。(D) 添加与不添加多巴胺条件下不同孵育时间益生菌附着于材料表面的显微镜图像体现益生菌与基材表面的聚集结合。比例尺100 微米。(E) 革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌与真菌在材料表面的负载生物量检测结果。图3. 活体涂层的基材普适性与长期活菌稳定性(A) 在有无多巴胺的条件下植物乳杆菌LP在陶瓷、有机硅、聚甲基丙烯酸羟乙酯PHEMA、聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物PLGA、不锈钢及钛材表面的负载生物量。(B) 在有无多巴胺条件下植物乳杆菌在六种基材表面定植的扫描电镜照片。比例尺10 微米。(C) 对照组与活体涂层在长达 10 周观察周期内不同时间点的长期活菌活性。(D) 不同储存时间下经活 / 死细菌染色后的活体涂层共聚焦荧光图像。(E) 热图展示活体涂层中代谢与催化相关基因在不同时间点的表达变化。(F) 第 2 周相较于第 0 周活体涂层上调基因的 KEGG 通路富集分析。(G) 第 10 周相较于第 0 周活体涂层上调基因的 KEGG 通路富集分析。图4. 活体涂层的消耗效应(A) 示意图活体涂层清除活性氧ROS并减轻细胞凋亡的作用机制。(B) DPPH2,2 - 二苯基 - 1 - 苦肼基自由基抗氧化检测的原理。(C) DPPH 实验检测对照组与活体涂层长期抗氧化能力。(D) 细胞凋亡通路示意图。(E) 验证活体涂层消耗效应的实验流程。Cyt C细胞色素 C。(F) 人角膜上皮HCE细胞内活性氧的共聚焦显微镜图像。比例尺100 微米。(G) 细胞内活性氧荧光强度定量统计结果。(H) 采用 TUNEL 染色末端脱氧核苷酸转移酶介导的 dUTP 缺口末端标记法检测人角膜上皮细胞凋亡水平。比例尺50 微米。(I) TUNEL 染色荧光强度定量分析。(J) JC-1 探针检测人角膜上皮细胞线粒体膜电位。比例尺10 微米。(K) 线粒体膜电位定量统计。(L) 人角膜上皮细胞活死染色结果。比例尺100 微米。(M) CCK-8 试剂盒检测人角膜上皮细胞活力。图5. 活体涂层的生成效应(A) 活体涂层生成效应的作用机制示意图。(B) 聚多巴胺 (PDA)、植物乳杆菌 (LP) 以及活体涂层的抗菌活性检测结果。(C) 对照组、聚多巴胺组、植物乳杆菌组与活体涂层表面耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 (MRSA) 的扫描电镜图像。比例尺1 微米。(D) 将本研究活体涂层与商用抗菌涂层置于 4℃条件下浸泡 10 周评价长效抗菌性能。(E) 耐甲氧西林金黄色葡萄球菌ATCC 菌株 BAA40对活体涂层及左氧氟沙星抗生素的耐药性诱导实验。(F) 聚多巴胺、植物乳杆菌、抗生素与活体涂层对经 10 倍最低抑菌浓度左氧氟沙星处理后形成的持留菌的杀灭动力学曲线。(G) 持留菌杀灭实验的操作流程。(H) 对照组、聚多巴胺组、植物乳杆菌组、抗生素组及活体涂层组中耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物膜的生物量。(I) 对照组、聚多巴胺组、植物乳杆菌组、抗生素组及活体涂层表面 MRSA 生物膜形成的共聚焦图像生物膜采用 SYTO 9 染料染色。(J) 各组材料表面 MRSA 生物膜形态的扫描电镜图像。比例尺2 微米。图6. 活体涂层的抗菌分子机制(A) 无细胞上清液 (CFS)、酸碱中和后的无细胞上清液、蛋白酶处理后的无细胞上清液处理细菌后菌落形成单位CFU的对数下降值。(B) 热图对比活体涂层在不同培养时间段所产生有机酸的含量。(C) 折线图展示活体涂层在不同时间点分泌的主要有机酸浓度变化。(D) 无细胞上清液、中和有机酸的上清液、蛋白酶处理上清液作用后细菌与真菌的扫描电镜形态。比例尺1 微米。(E) 对比中和组上清液与原始上清液处理的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌差异表达基因DEG的聚类分析。(F) 两组 MRSA 差异基因的 KEGG 通路富集分析。图7. 活体涂层的生物相容性评价(A) 人角膜上皮细胞HCE分别与对照组、聚多巴胺组、植物乳杆菌组、活体涂层共培养 1 天、3 天、5 天后的 CCK-8 细胞活力检测结果n3。(B) 四组条件培养 1、3、5 天后人角膜上皮细胞活 / 死染色共聚焦图像。比例尺100 微米。(C) 对照组、聚多巴胺组、植物乳杆菌组、活体涂层组的溶血实验结果n5。(D) 不同处理组大鼠血清丙氨酸氨基转移酶ALT水平n4。(E) 不同处理组大鼠血清天门冬氨酸氨基转移酶AST水平n4。(F) 不同处理组大鼠血肌酐浓度n4。(G) 各组大鼠肝、脾、肺、心脏、肾脏组织苏木精 - 伊红HE病理染色切片n4。比例尺200 微米。图8. 活体涂层修饰角膜绷带镜用于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA感染性角膜炎的治疗研究(A) 不同干预方案治疗 MRSA 感染性角膜炎的实验示意图 [绘图来源BioRender 平台徐淼2026 年绘图链接https://BioRender.com/i989nb7](B) 第 1、3、5、7、9 天不同处理组 MRSA 感染角膜炎大鼠角膜实拍照片(C) 连续 9 天内各实验组角膜病变临床分级评分统计(D) 第 9 天各组损伤角膜的荧光素钠染色图像(E) 第 9 天角膜上皮缺损区荧光染色面积定量分析结果(F) 第 9 天各组感染角膜内 MRSA 载菌量定量分析Lg 代表以 10 为底的对数(G) 对照组、抗生素组、活体涂层组 MRSA 感染角膜组织苏木精 - 伊红HE病理染色切片比例尺 100 微米(H) 各组感染角膜组织 TUNEL 免疫荧光染色图比例尺 100 微米(I) 各组感染角膜白介素 - 2IL-2、肿瘤坏死因子 -αTNF-α免疫荧光染色图比例尺 100 微米(J) 各组 TUNEL 荧光强度定量统计(K) 各组 TNF-α 荧光强度定量统计(L) 各组 IL-2 荧光强度定量统计关于百易汇能http://www.bioyigene.com/武汉百易汇能生物科技有限公司坐落于武汉光谷高农生物园总部是一家专注于第二代、第三代测序技术在人类健康和生命科学研究两大领域的高新技术企业。公司引进了高通量基因测序平台、单细胞平台、质谱平台以及华为超算平台。现有自主开发的发明专利6项实用新型专利15项软著60余项。成立以来累计参与发表文章220余篇包括CellNature GeneticsPNASFood chemistry等各领域顶级期刊。产品一览