Advanced Functional Materials:具有活化巨噬细胞膜涂层的微流控芯片清除受污染血液中的ESKAPE病原体

受细菌感染所引起的菌血症对人类的健康带来了极大的危害,且具有高致死率的特点。其中ESKAPE致病菌作为临床上最常见的引起菌血症的六种致病细菌为人们带来了极大的困扰。通常对于菌血症的患者需要对其血液进行致病源的清除,这包括细菌和细菌相关的致病分子。在临床上往往采用过量的具有广谱抗菌性能的抗生素以期达到效果,但这会带来耐药菌产生的风险。使用透析的方法净化血液,或是采用检测的方法探明细菌的种属,针对性的采取抗生素,成为了更加理想的手段。然而,这两种方法都需要繁琐的操作步骤,以及更长的操作时间,对于大部分患者而言依然缺乏治疗的高效性。设计并研发一种可以高效并快速的抓捕细菌的芯片变得极为重要。苏州大学功能纳米与软物质研究院刘坚教授团队与格罗宁根大学医学院 Henk J. Busscher教授和Henny C. van der Mei教授团队(共同通讯),利用细菌刺激活化巨噬细胞并提取其细胞膜,结合具有硅纳米线阵列基底的微流控芯片,用于清除被细菌污染血液中的致病菌。这种具有活化巨噬细胞膜涂层的微流控芯片可以高效的并且广谱的在血液环境下清除六种ESKAPE致病菌,具有转化临床应用的潜质。 相关结果以“Clearance of ESKAPE Pathogens from Blood Using Bacterially Activated Macrophage Membrane-Coated Silicon Nanowires”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊(DOI: 10.1002/adfm.202007613),苏州大学和格罗宁根大学医学院联合培养博士刘思迪为第一作者。

巨噬细胞作为人体免疫系统的重要组成部分,其细胞膜上具有丰富的特异性蛋白受体,可以高效的识别并抓捕侵入机体的病原体。如图1所示,利用革兰氏阴性菌或革兰氏阳性菌刺激活化巨噬细胞,利用冻融法提取巨噬细胞膜并将其结合在具有正电荷的硅纳米线阵列表面。从而获得具有活化巨噬细胞膜涂层的三维纳米拓扑结构表面。将具有涂层的表面结合微流控芯片可以高效的在血液情况下清除六种ESKAPE致病菌。

图1 具有细胞膜涂层的纳米线阵列制备流程

图2展示了纳米线包覆细胞膜涂层前后的表征。硅纳米线阵列的扫描电镜图样及其包覆有巨噬细胞膜涂层的透射电镜图片。实验表明,细菌活化后的巨噬细胞膜相较于未活化的巨石细胞膜具有更正的电位。荧光图片也可以证明细胞膜成功的包覆在了纳米线拓扑结构表面。有趣的是,利用FRAP实验表明结合在表面的细胞膜具有细胞膜流动性的特点。这种膜流动性的特点与细胞原本的膜流动性特点相同,间接的保证了细胞膜涂层上的特异性蛋白受体具有很好的生物活性。

图2 巨噬细胞膜修饰在硅线表面前后的材料表征

该工作所涉及的微流控芯片由三部分组成 (如图3所示),具有鱼骨结构的微流控孔道,芯片本身,以及图案化的具有涂层的纳米线基底。鱼骨结构会增加孔道中无序涡旋的产生,促进流体中颗粒与基底的碰撞频率,从而增加流经孔道的细菌与纳米线涂层的相互作用。

图 3 微流控芯片设计

不同浓度的ESKAPE菌与血液混合从而模拟菌血症病人的血液,通过所设计的微流控芯片并计算流出血液中的细菌数量。如图4所示,六种致病菌通过芯片后被高效的抓捕在芯片表面。虽然抓捕效率随着细菌浓度的增高而减少,但考虑到临床菌血症病人具有较低的细菌感染浓度(1-30 CFU/mL),芯片实验中所使用的模拟细菌浓度(1000 CFU/mL)远远高出临床上的数值,所以芯片的高抓捕效率是适用于临床样本的。后续的实验证明,受细菌刺激的巨噬细胞膜相比于未刺激的巨噬细胞膜具有更丰富的Toll-like受体识别并结合细菌。该工作有助推动发展面向实际临床应用的微流控芯片新技术

图4 高效抓捕ESKAPEZ致病菌