Nature Biotechnology：釜底抽薪，借刀杀人：研究人员用“结石”疗法，让超级细菌自取灭亡

引言

在我们与细菌这场旷日持久的战争中，抗生素曾是我们最引以为傲的“核武器”。然而，随着抗生素的广泛使用，一群刀枪不入、百毒不侵的“超级细菌(Superbugs)”悄然崛起，它们在全球范围内肆虐，让许多曾经能被轻松治愈的感染变得棘手甚至致命。其中，耐甲氧西林金黄色葡萄球球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA) 无疑是这个“反派联盟”中的头号公敌。它不仅能引发皮肤、血液、肺部甚至骨骼的严重感染，其强大的耐药性和形成生物膜(biofilms)的能力，更是让医生们束手无策。面对日益严峻的耐药危机，我们是否还有新的武器可以反击？

7月15日，一篇发表在《Nature Biotechnology》上的研究“Inducing bacterial calcification for systematic treatment and immunomodulation against methicillin-resistant Staphylococcus aureus”为我们带来了全新的曙光，该研究提出了一种颠覆性的策略：与其直接用药物杀死细菌，不如诱导它们自身发生“钙化(calcification)”，也就是让细菌长出类似“结石”的坚硬外壳。这种巧妙的策略不仅能直接“憋死”细菌，还能唤醒人体的免疫系统，形成“内外夹击”之势，彻底清除这些顽固的入侵者。

量身定制的“寻的导弹”——抗体-PSA偶联物 (APC)

要让细菌长“结石”，首先得有一个精确的“施工队”能够准确找到目标，并且携带“施工材料”的蓝图。传统的抗生素就像无差别轰炸，而这项新策略的核心，是一种被研究人员称为“抗体-PSA偶联物(antibody-PSA conjugate, APC)”的纳米级“寻的导弹”。

这个“导弹”由两部分巧妙构成：

导航系统——抗体片段(mAb)：这部分是抗体中最核心的“抗原结合片段(antigen-binding fragments)”，它被设计成专门识别 MRSA 细胞壁上一种叫做“壁磷壁酸(wall-teichoic acid, WTA)”的特殊分子。WTA 上有一个由 TarS 糖基转移酶(TarS glycosyltransferase)修饰的 β-O-连接的N-乙酰葡糖胺(β-O-linked N-acetylglucosamine, GlcNAc)结构，这就像是 MRSA 身上独一无二的“邮政编码”。APC 的抗体部分能精准地与这个“邮政编码”结合，确保“导弹”只攻击 MRSA，而不会误伤其他细菌或人体细胞。

功能弹头——多聚唾液酸(PSA)：这是一种带有大量负电荷（羧基）的天然多糖。当 APC 通过抗体部分锁定 MRSA 后，PSA 这部分就暴露在外。它就像一块强力磁铁，能从周围环境中大量吸附带正电的钙离子。

为了验证这个“导航系统”的精准度，研究人员进行了一系列实验。他们发现，这种特制的抗体与野生型 MRSA 的结合率高达 98.8%。而当他们敲除了负责制造那个特殊“邮政编码”（即 β-O-GlcNAc 结构）的 tarS 基因后，抗体与变异 MRSA 的结合率骤降至 21.8%，这个数值与抗体和完全不相关的肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)或铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的结合率（分别为 20.3% 和 30.1%）相差无几。这有力地证明了 APC 的靶向性极高，它能像一个训练有素的猎手，在复杂的微生物环境中精准地识别并锁定 MRSA。

点菌成石，画地为牢——细菌钙化的直接杀伤力

当 APC 这枚“寻的导弹”成功锁定 MRSA 后，好戏才刚刚开始。它携带的“功能弹头”PSA 开始发挥作用，在细菌表面富集大量的钙离子和磷酸根离子。这些离子在细菌表面沉积、结晶，最终形成一层坚硬的、类似矿物质的钙化外壳，将细菌严严实实地包裹起来。

这个过程，研究人员通过一系列精密的显微技术清晰地捕捉到了。

在扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)下，正常的 MRSA 表面光滑圆润，而经过 APC 处理的 MRSA 则被一层粗糙、致密的物质完全覆盖。通过能量色散X射线光谱(Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDX)技术进行元素分析，可以清楚地看到，这层外壳中钙元素的信号异常强烈，证明了钙的大量沉积。

更进一步，在透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy, TEM)下，研究人员观察到细菌周围形成了明显的晶体结构，这些晶体最终融合在一起，形成了一个“石棺”，将细菌彻底封死。从图像中可以看到，被钙化外壳包裹的细菌内部结构已经崩解，显示出死亡的状态。

这种“石化”的杀伤力有多强？研究人员通过经典的菌落计数实验给出了答案。他们将 MRSA 与 APC 共培养，并定时检测活菌数量。结果显示，随着时间的推移，APC 组的活菌数量持续下降。在培养 60 小时后，与对照组相比，APC 处理组的 MRSA 活菌数量显著减少(P=0.0254)。这一效应严格依赖于钙离子：如果在培养基中去除钙离子，APC 就失去了其杀菌能力。

这种策略不仅对实验室标准菌株 USA300 有效，对从临床病人痰液中分离出的耐药 MRSA (CI-MRSA)和甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌(CI-MSSA)同样有效，都能显著诱导细菌钙化并杀死它们。

更重要的是，MRSA 感染的一大难题是其形成的生物膜。这是一层由细菌分泌的多糖、蛋白质等物质构成的“集体宿舍”，它能像盾牌一样保护内部的细菌，抵御抗生素和免疫系统的攻击。研究人员发现，APC 不仅能有效抑制 MRSA 生物膜的形成，还能破坏已经形成的成熟生物膜，杀死其中的细菌。这无疑是釜底抽薪，从根本上瓦解了 MRSA 的防御体系。

断其粮草，绝其生路——揭秘“石化”背后的死亡机制

将细菌变成“石头”就能杀死它，这听起来很直观，但其背后的科学机制是怎样的呢？为了探究细菌究竟是怎么“死”的，研究人员动用了转录组学(RNA sequencing, RNA-seq)和代谢组学(metabolomics)这两大“读心术”，深入剖析了被钙化后细菌内部发生的翻天覆地的变化。

能量代谢系统全面崩溃

转录组测序结果显示，在经过 APC 和钙离子处理后，MRSA 内部有 171 个基因的表达被显著下调，而只有 28 个基因被上调。这些被“关闭”的基因，绝大多数都与细菌最核心的生命活动息息相关。基因功能富集分析(Gene Ontology)显示，被抑制最严重的通路集中在：

• ATP 代谢过程(ATP metabolic process)

• 蛋白质合成(Translation 和 protein metabolic process)

• 氨基酸生物合成(Branched-chain amino acid biosynthetic process)

简单来说，细菌的“发电厂”（氧化磷酸化）、“食品加工厂”（糖异生和脂肪酸代谢）和“建筑工厂”（蛋白质和氨基酸合成）几乎全部停摆。细胞内的“能量货币”——三磷酸腺苷(ATP)的水平急剧下降，而反映细胞氧化还原状态的关键指标——NAD+/NADH 比值也显著降低。这相当于一个城市同时被切断了电力、食物和建材供应，其崩溃只是时间问题。

关键代谢通路被迫中断

代谢组学的分析结果与转录组学相互印证。研究人员发现，在钙化条件下，MRSA 内部的 271 种代谢物发生了显著变化，其中 242 种被显著下调。这些代谢物广泛分布在氨基酸代谢、核苷酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢等关键通路中。例如，多种氨基酸、核苷酸前体以及三羧酸循环(TCA)的中间产物都大幅减少。

一个有趣的现象是，研究人员发现了一个名为环磷酸腺苷(cAMP)的信号分子水平反而升高了。cAMP 是细菌应对外界压力的重要“报警信号”。它的升高可能意味着，被钙化包裹的 MRSA 正在进行最后的“垂死挣扎”，试图启动应急程序来自救，但终究无力回天。

通讯和防御系统失灵

除了能量和物质代谢，MRSA 的“通讯系统”——群体感应(quorum sensing)和“武器系统”——毒力因子(virulence factors)的相关基因表达也普遍受到抑制。钙化外壳像一个法拉第笼，不仅阻断了营养物质的进入和代谢废物的排出，也阻止了细菌之间用于交流和协同作案的信号分子的传递，同时还掩盖了细胞壁上用于入侵宿主和逃避免疫的表面蛋白。

综上，APC 诱导的钙化通过一种“窒息式”的物理封锁，导致了 MRSA 内部多条生命线的系统性崩溃，这是一种让细菌难以产生耐药性的全新杀菌模式。

实战演练，所向披靡——小鼠模型中的卓越疗效

实验室里的成功固然令人鼓舞，但能否在真实的生物体内发挥作用，才是评价一个新疗法潜力的金标准。为此，研究人员构建了两种极具挑战性的 MRSA 慢性感染小鼠模型：慢性肺炎模型和慢性骨髓炎模型。

攻克慢性肺炎

在慢性肺炎模型中，小鼠的肺部被植入了包裹着 MRSA 的琼脂糖微珠，以模拟人类慢性肺部感染。未经治疗的小鼠肺部出现严重的拥塞、脓肿，体重下降，体温降低，存活率堪忧。

研究人员通过静脉注射的方式给予小鼠 APC 治疗，并设立了一个“APC + 高钙饮食”组，以探究补充钙质是否能增强疗效。经过 28 天的治疗，结果令人振奋：

外观与生存：APC 和 APC+高钙饮食组的小鼠肺部外观趋于正常，而对照组则病变严重。APC+高钙饮食组的 28 天生存率显著高于对照组。

生理指标：治疗组小鼠的体重和核心体温都得到了有效恢复和维持，而对照组则持续恶化。

细菌清除：最关键的是，APC+高钙饮食组小鼠肺部的 MRSA 活菌数量(CFUs)相比对照组，降低了数个数量级，显示出强大的细菌清除效果。

“石化”证据：研究人员通过显微CT(micro-CT)扫描小鼠肺部，在 APC 和 APC+高钙饮食组的肺部清晰地观察到了点状的高密度钙化灶。这些“墓碑”正是 APC 诱导细菌钙化并将其就地消灭的直接证据。

治愈慢性骨髓炎

慢性骨髓炎是一种极为顽固的感染，MRSA 像蛀虫一样侵蚀骨骼，极难清除。研究人员在小鼠的胫骨内注射 MRSA，成功复制了这种疾病模型。

在给予了所有小鼠高钙饮食的前提下，他们同样进行了为期 28 天的 APC 治疗。结果同样出色：

骨骼形态：对照组小鼠的胫骨出现明显的肿胀、畸形和脓肿，而 APC 治疗组的胫骨形态几乎恢复正常。

细菌载量：通过活体生物发光成像技术，可以实时追踪荧光标记的 MRSA。在治疗四周后，APC 组小鼠胫骨内的荧光信号基本消失，表明细菌已被大量清除。骨髓匀浆的活菌计数也证实，APC 组的细菌载量远低于其他各组。

骨骼修复：显微 CT 扫描显示，APC 治疗不仅清除了感染，还显著提高了受感染骨骼的骨矿物质密度(bone mineral density)，促进了骨骼的修复和再生。

这两个动物模型的结果有力地表明，APC 疗法在体内同样有效，它能精准靶向并清除深藏在组织器官中的 MRSA，同时缓解炎症，促进组织修复。

借刀杀人，唤醒神兵——钙化细菌的免疫调节作用

如果说直接杀死细菌是“釜底抽薪”，那么这项研究最巧妙的地方还在于发现了“借刀杀人”的第二重作用机制。研究人员好奇，这些被“石化”的细菌尸体，在免疫系统眼中会是什么样的存在？它们仅仅是“无害的石头”，还是会引发新的反应？

为了解答这个问题，他们运用了强大的单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术，对感染后第 14 天（此时细菌载量尚未显著下降，但钙化已经形成）小鼠肺部的所有细胞进行了逐一分析，绘制了一幅精细的免疫细胞图谱。

“吹哨人”的出现

分析结果揭示了一个惊人的现象：在 APC 治疗组小鼠的肺部，虽然免疫细胞总数变化不显著，但其内部的“工作状态”发生了巨大改变。尤其是在单核吞噬细胞系统(mononuclear phagocyte system, MPS)中——包括单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞，这些是免疫系统的“前线巡逻兵”和“清道夫”——它们的“促炎”功能评分显著高于对照组。

更具体地说，在这些免疫细胞中，有两个编码钙结合蛋白（又称钙卫蛋白，calprotectin）的基因——S100a8 和 S100a9——的表达水平出现了爆炸性增长。S100A8/S100A9 是著名的“损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns, DAMPs)”，它们就像是免疫系统内部的“警报器”或“吹哨人”。当组织受损或有异常物质出现时，它们就会被大量释放，召集并激活其他免疫细胞前来战斗。

免疫“特种部队”被激活

为了验证这一发现，研究人员在体外用小鼠的肺泡巨噬细胞(MH-S)进行了实验。当他们将钙化后的 MRSA 与巨噬细胞共培养时，奇妙的事情发生了：

“警报”拉响：巨噬细胞开始大量分泌 S100A8 和 S100A9 蛋白。

“战备”升级：巨噬细胞的表面出现了更多的促炎性标志物（如 CD80 和 CD86），表明它们从“和平时期的巡警”转变成了“战时状态的特种兵”。

战斗力飙升：这些被激活的巨噬细胞吞噬细菌的能力显著增强，并且释放出更多的肿瘤坏死因子(TNF)、白细胞介素-6(IL-6)等促炎细胞因子，进一步呼叫增援，扩大免疫反应。

而当研究人员利用基因编辑技术敲除巨噬细胞中的 S100a8 和 S100a9 基因后，上述所有的激活现象都消失了。这清晰地证明，正是钙化的细菌通过诱导 S100A8/S100A9 的表达，成功地“唤醒”了宿主的先天免疫系统。

至此，APC 的双重作用机制完全明朗：它首先通过诱导钙化，直接杀死 MRSA；随后，这些钙化的细菌尸体又扮演了“吹哨人”的角色，激活了宿主的免疫防线，实现了对感染病灶的彻底清剿。这种“治疗”与“免疫调节”相结合的策略，远比单一的抗菌药物要高明和有效。

最后的考量：安全第一，未来可期

任何一种新疗法，在展示其强大疗效的同时，都必须回答一个终极问题：它安全吗？

研究人员对此进行了全面而严格的评估。在体外实验中，即便是高浓度的 APC，对人类脐静脉内皮细胞、人正常肺上皮细胞等多种正常人体细胞也几乎没有毒性。在体内实验中，他们给健康小鼠连续 28 天注射 APC，结果显示，小鼠的各项生理指标，包括血常规、肝肾功能、血钙水平、心肌酶谱等，均未出现任何异常。主要脏器的组织切片也显示结构正常，没有炎症反应。

这些数据表明，APC 具有良好的生物相容性和安全性，这为其未来的临床转化奠定了坚实的基础。

该研究成果，为我们对抗 MRSA 乃至其他耐药菌的战斗，打开了一扇全新的大门。它不再局限于寻找新的“弹药”去直接攻击细菌，而是巧妙地利用了细菌自身的生理过程和宿主的免疫系统，设计了一套环环相扣、攻守兼备的“组合拳”。

为细菌定制“结石”——这种看似天马行空的想象，如今在严谨的科学数据支持下，正一步步走向现实。虽然从实验室到临床应用还有很长的路要走，例如需要进一步优化药物的分子结构以降低给药剂量、提高疗效，但这无疑是人类智慧在与病原体博弈中，一次精彩绝伦的反击。我们有理由相信，在不远的未来，面对超级细菌的挑战，我们将拥有更多像这样巧妙而有力的武器。

参考文献

Zhang W, Liu L, Zhang Q, Lu H, Li A, Huang Y, Zhang W, Li H, Lu X, Ming X, Yang Z, Shou H, Wang Y, Xia J, Xu F, Wang B. Inducing bacterial calcification for systematic treatment and immunomodulation against methicillin-resistant Staphylococcus aureus. Nat Biotechnol. 2025 Jul 15. doi: 10.1038/s41587-025-02736-3. Epub ahead of print. PMID: 40664980.