Near-Infrared-Activated Fe/ppy Nanocomposites Trigger Ferroptosis-Like Bacterial Death and Suppress Intestinal Colonization

细菌感染仍然是现代医学面临的最持久挑战之一，这不仅是因为病菌会导致疾病，还因为它们正在学习如何从杀灭它们的药物中生存下来。几十年来，抗生素一直是对抗这些入侵者的主要武器，但其广泛使用加速了那些不再对治疗产生反应的耐药菌株的兴起。由于细菌能够形成被称为生物膜（biofilms）的保护层，这种保护层就像一面盾牌，使它们更难被清除，这一危机变得更加复杂。科学家们现在正在寻找新的对抗这些感染的方法，而不依赖于传统的抗生素，寻求能够完全绕过这些耐药机制的方法。一个充满前景的方向是利用光来激活材料，从而在细菌内部产生一种特定类型的压力，有效地压倒它们的内部防御并导致其崩溃。

在最近的一项研究中，来自浙江大学医学院附属第二医院及其他机构的研究人员探索了一种利用一种经过设计的微小材料与光协同工作的全新策略。他们专注于一种由铁和一种特定的有机分子组成的纳米复合材料，这是他们此前开发出的。团队假设，如果他们能用特定类型的光照射这种材料，它将在细菌内部触发一种导致其死亡的连锁反应。他们针对两种截然不同的细菌测试了这一想法：一种是被称为大肠杆菌（E. coli）的常见革兰氏阴性菌，另一种是被称为金黄色葡萄球菌（S. aureus）的革兰氏阳性菌。这些细菌代表了在医院和社区中引起严重感染的那些强韧且通常具有耐药性的病原体。

研究人员首先在实验室中培养这些细菌，并将它们暴露在不同条件下，以观察会发生什么。他们设置了五个组别：一些未接受处理；一些仅暴露在近红外光下；一些仅暴露在基于铁的材料中；一些同时接受了材料和光照射；最后一组则在接受材料和光照射的同时，还加入了一种阻断铁的化学物质。所使用的光是一种波长为1064纳米的激光，功率为每平方厘米2瓦特，持续照射8分钟。结果令人震惊。当细菌仅接受材料或仅接受光照射时，它们存活得相对较好，仅表现出数量上的轻微减少。然而，当材料和光结合使用时，细菌几乎被彻底消灭。研究人员通过在琼脂平板上计数存活的菌落发现，组合治疗几乎没有留下任何活着的细菌。

为了理解这是如何发生的，团队在强力显微镜下仔细观察了细菌。他们看到对照组和仅接受单一试剂处理的细菌看起来光滑且完整，其外壁保持完好。相比之下，接受组合治疗的细菌看起来破碎不堪。它们的表面粗糙、受损且破裂，表明它们的保护性膜结构已被破坏。研究人员还使用了特殊的染料，这些染料在活细胞中发出绿光，而在死细胞或垂死细胞中发出红光。在组合治疗组中，视野被红光占据，证实了绝大多数细菌已经死亡。这种破坏并非随机发生的；团队发现，当他们加入一种可以吸收铁的化学物质时，损伤显著减轻了。这证明了杀灭机制高度依赖于纳米复合材料中的铁。

研究表明，这种光激活材料中的铁，导致其产生一种活性氧物种（reactive oxygen species）。这些是不稳定的分子，在细胞内起着腐蚀剂的作用，攻击细菌的内部结构和脂质。这一过程模拟了一种被称为铁死亡（ferroptosis）的细胞死亡形式，虽然这种形式通常在人类细胞的背景下被讨论，但在这里似乎也是一种强力的杀菌武器。研究人员还测试了这种方法是否可以阻止细菌形成生物膜，即那些使感染难以治疗的黏性保护性群落。在组合治疗组中，细菌无法建立这些保护性结构，并且任何现有的生物膜结构也被破坏了。然而，单一处理方式不足以阻止生物膜的形成。

在宣布该方法可用于生物体之前，研究人员在小鼠身上测试了其影响。他们通过口服方式给小鼠喂食这种基于铁的材料，然后在其腹部施加光照。他们监测了动物的毒性情况，检查了血液化学成分并检查了主要器官，如心脏、肝脏和肾脏。结果显示没有发现有害迹象；小鼠保持健康，其器官在显微镜下看起来也正常。这表明该处理方式耐受性良好，且不会造成全身性损伤。当研究人员使用这种方法治疗了被细菌定植的小鼠肠道时，组合治疗显著减少了肠道内的细菌数量。这种光激活材料成功清除了感染，且没有出现通常与强效抗生素相关的严重副作用。

这些发现为未来使用精确、非抗生素的方法治疗感染提供了一个前景。通过利用光来激活一种简单的铁基材料，研究人员展示了一种触发特定、依赖铁的细菌死亡的方法，这种方法可以绕过传统的耐药机制。研究表明，这种方法可以摧毁细菌细胞，防止它们形成保护性生物膜，并清除活体动物肠道内的细菌，同时对宿主表现得安全。尽管这项工作仍处于研究阶段，但它凸显了一个应对日益严重的耐药细菌威胁的引人注目的新方向，表明击败这些顽强入侵者的关键可能在于利用光与铁的力量。