图注：彩色扫描电子显微镜（SEM）下的铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）[来源：Callista Images/Getty Images]
为突破微生物入药的核心瓶颈，哈佛大学威斯研究所（Wyss Institute）与约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员开发了可植入活性材料（implantable living materials, ILMs）平台，该平台封装了具备感染感知能力的细菌，既可以按需释放治疗分子，又能将细菌与周围组织物理隔离。
威斯研究所创始核心教员David Mooney博士及其团队将经过基因工程改造的治疗性大肠杆菌（E. coli）菌株封装在水凝胶生物材料中；该水凝胶专为调控细菌生长、抵抗机械应力（如人体活动部位存在的应力）设计，可实现细菌封装时长超6个月。
为评估该材料的临床潜力，研究人员对细菌进行工程改造，使其可检测铜绿假单胞菌（植入物相关感染的常见致病菌）释放的化学信号，将ILM升级为主动治疗系统。感知到该病原体后，工程菌会自主裂解，释放可杀灭铜绿假单胞菌的抗菌蛋白。在关节感染小鼠模型中，该系统成功降低了细菌载量，证明了长效可编程ILM类疗法用于长期疾病治疗的潜力。研究人员表示，该成果实现了从被动药物储库向自主响应型活性治疗系统的转变。
“这种新策略将具备定制力学特性的工程材料、可按需产生治疗载荷的基因工程微生物相结合，为未来微生物药物的应用提供了通用框架。”Mooney表示，“该ILM策略兼具精准性、安全性与治疗持久性，有望成为多种疾病与感染的治疗方案，其治疗效果或优于其他药物递送策略。”
Mooney是SEAS的Robert P. Pinkas生物工程讲席教授，为团队发表于《科学》（Science）的论文的共同通讯作者，论文题为《可植入活性材料利用封装的工程菌自主递送治疗药物》，作者在结论中指出，研究结果“确立了ILM作为体内应用微生物药物的基础，可在多种疾病场景下作为自主治疗储库”。
如果药物与治疗分子可以在整个再生过程中直接递送至体内病灶部位，且剂量可根据治疗需求精准调控，多种致残性疾病患者的康复速度将显著提升，治疗效果也会更佳。实现这一目标的极具潜力的方案是使用经过合成工程改造的可植入活细胞，这类细胞可感知环境中的损伤或疾病相关状态，灵活响应并产生适宜剂量的治疗分子。
作者在论文中写道：“合成工程细胞正成为一类活性治疗方式，具备感知生理状态、体内产生生物活性载荷的能力。”与传统药物不同，这类“活性疗法”可在体内自主维持，可在多种生物环境中存活，包括肿瘤、炎症组织、感染组织，甚至人体细胞内部。
细菌是尤其受关注的载体，可通过基因编程响应特定生物信号释放治疗分子，还可在体内恶劣生理环境中存活，如感染/炎症组织、受机械运动的组织及肿瘤内部。
部分这类微生物疗法已进入治疗特定癌症、代谢紊乱、肾结石进展的临床试验，但目前试验均未成功；同时由于无法将微生物限定在体内特定部位，其存在显著安全风险。作者进一步指出：“控制微生物的脱靶效应仍是核心安全考量，因为多种临床场景中均报道了微生物扩散及相关毒性事件。”
此前的可植入生物材料系统（如水凝胶、胶囊类封装结构）在限制微生物方面取得了一定成效，但封装时长较短，通常不超过2周。研究人员表示：“可植入水凝胶提供了将治疗细胞限定在靶部位的物理策略，这类活性材料有望作为局部药物储库，动态响应病变环境……本研究开发了一种可封装、限定细菌的可植入材料，合成工程微生物可在材料内部产生治疗载荷。”
第一作者Tetsuhiro Harimoto博士（Mooney团队博士后，主导了该项目）进一步解释：“最初我们提出了一个看似简单的问题：我们能否设计一种材料，安全封装递送药物的细菌，同时允许治疗药物渗透至所需部位？”尽管科学家已广泛研究了合成材料的物理参数如何随成分、化学键的调整而变化，“但这个问题的难度很高，因为封装材料需要平衡两个通常相互矛盾的特性：需要足够‘坚硬’，避免内部细菌增殖挤压导致材料破裂；同时需要足够‘坚韧’，可作为封装结构抵御力学活跃组织的外部机械应力。”
图注：图文摘要：可植入活性材料利用封装的工程菌自主递送治疗药物[来源：Tetsuhiro Harimoto]
不断扩增的细菌菌落产生的压力比哺乳动物细胞高数个数量级。此外，人体各类机械力产生的应力（如肌肉张力、关节压力）会随时间累积导致材料疲劳，从外部破坏材料。但硬度过高通常会使材料过脆，裂纹易快速扩散；而理论上可抗断裂的高韧性通常又伴随材料过软的问题。团队写道：“我们假设满足两个关键材料标准即可实现治疗菌的稳定长效封装：第一，可抵抗增殖细菌产生的内部应力；第二，具备足够的机械韧性，可承受周围组织的形变。”
为制备ILM，团队以已临床应用的聚乙烯醇（PVA）为原料，加工形成具有纳米级相互作用的晶区，最终得到的支架同时具备高硬度与高韧性。Harimoto表示：“本研究的核心内容之一，是探索如何利用致密晶区交联制备最优PVA水凝胶，同时保证封装细菌的活性与功能。”研究人员在制备过程中将细菌包裹在明胶微滴中，保护细菌免受干燥及特定化学处理的影响。
该策略通过生物相容性的冻融循环、盐条件与化学处理时间的组合，可在细菌周围制备出硬度与韧性适配的理想材料支架。在制备流程后期，小幅调整温度即可溶解明胶微凝胶，形成内部空隙供细菌增殖。由于PVA材料的孔径极小，细菌被限定在内部，而其产生的可溶性分子可扩散至体内其他部位。
最终得到的ILM可安全封装细菌长达6个月，且可耐受反复机械应力。研究人员表示：“我们开发的水凝胶支架具备双重力学特性：高硬度可调控细菌增殖，高韧性可抵御生理应力下的材料断裂。该设计实现了6个月的完全细菌封装，可承受多种形式的机械载荷，这类载荷通常会导致其他材料发生灾难性失效。”
为验证ILM的概念可行性，团队聚焦于假体周围植入物的铜绿假单胞菌感染场景——这类假体用于治疗现有 人工关节置换周围的骨折或骨丢失。假体周围装置的大量治疗失败由感染导致，伴随炎症与抗生素耐药性传播。研究人员写道：“我们评估了ILM用于体内假体周围关节感染的治疗效果，该模型模拟了临床场景中最常发生的植入后早期感染。”
为有效治疗这类感染及其他类型感染，ILM内部的递送治疗药物的细菌需要经过基因工程改造，成为具备自主“感知-响应”能力的药物储库。为此，团队在大肠杆菌菌株中导入了合成基因回路，使细菌可感知铜绿假单胞菌产生的小分子扩散代谢物N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）¹，响应后激活自毁基因触发细胞裂解。部分ILM内部细菌触发自毁后，会释放细菌持续合成的、可杀灭铜绿假单胞菌的合成蛋白嵌合绿脓菌素（ChPy）²；ChPy对铜绿假单胞菌具有毒性，可清除ILM局部环境中的病原体。
¹ 注释：细菌群体感应调控的关键信号分子
² 注释：对铜绿假单胞菌具有特异性杀伤作用的工程蛋白
Harimoto表示：“我们将治疗性ILM固定在不锈钢假体周围装置上，该装置接种了从患者伤口分离的致病性铜绿假单胞菌，随后植入小鼠股骨旁；经过3天治疗，ILM显著降低了病原体载量，同时安全封装了内部的工程菌。相比之下，接受不产生ChPy的非治疗性对照ILM的小鼠，同期铜绿假单胞菌数量持续升高。这证明了治疗性ILM可在体内自主感知并治疗假体周围感染。”
研究人员认为，经过特异性改造的ILM作为一类新型治疗药物，兼具优异的安全性与局部靶向释药能力，在组织再生、多种疾病场景的免疫调控等领域具有广泛潜力。目前已提交关于ILM用于药物递送的专利申请。
作者在论文总结中写道：“ILM与载药储库、疫苗等其他治疗方式存在本质差异。通过直接感知病原体来源信号、局部释放抗菌载荷，ILM可在植入部位实现不依赖抗原的快速干预。这种局部自主作用模式非常适配假体周围关节感染的治疗需求——该疾病的早期干预至关重要。”团队表示，研究结果“确立了ILM作为体内应用微生物药物的基础，可在多种疾病场景下作为自主治疗储库”。
在同期配发的观点文章中，威斯康星大学麦迪逊分校药学院的Kaige Chen博士与Quanyin Hu博士指出，仍需进一步研究确认封装的活性疗法是否可在体内长期发挥功能。尽管如此，他们表示：“Harimoto等人的研究解决了活性疗法应用的核心障碍——将细菌与周围组织物理隔离。”二人进一步指出，人工关节小鼠模型的体内研究结果“可推动活性疗法从短期概念验证系统向长效可编程药物转化”。