攻克植入物感染難題，不負(fù)未來(lái)醫(yī)學(xué)重托

“夫醫(yī)者，非仁愛(ài)之士不可托也，非聰明理達(dá)不可任也，非廉潔淳良不可信也”。早在上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院開(kāi)展研究工作的第一年，青年學(xué)者楊盛兵便引用古語(yǔ)發(fā)出了如此感嘆。而在接下來(lái)數(shù)年緊鑼密鼓的研究工作中，他又邂逅了太多廣施博愛(ài)、專(zhuān)攻術(shù)業(yè)、常懷悲憫的臨床醫(yī)生，用無(wú)影燈下的全神貫注、處方箋上的殫精竭慮，夜以繼日地護(hù)佑著億萬(wàn)人民的生命健康，這使他更加清楚地感知肩上所擔(dān)的責(zé)任與使命。

“在骨科手術(shù)中，90%以上的病例都涉及植入物的安放。”這引起了楊盛兵的思考：植入材料本身往往是細(xì)菌黏附的良好載體，所以易造成術(shù)后感染繼而導(dǎo)致治療失敗，究竟該如何最大限度地避免這種情況發(fā)生？“健康所系”的責(zé)任感叩問(wèn)著他投身醫(yī)學(xué)科研的初心。他表示，未來(lái)將把論文寫(xiě)在祖國(guó)的大地上，以前沿的、可轉(zhuǎn)化的、老百姓用得起的研究成果為醫(yī)學(xué)發(fā)展添磚加瓦，將其應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)現(xiàn)代化的偉大事業(yè)中。

結(jié)緣“骨修復(fù)”

2017年，50歲的生物材料專(zhuān)家劉昌勝當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士，在此之前，他已在生物材料領(lǐng)域深耕超過(guò)20年，從就讀生物化工專(zhuān)業(yè)到聚焦生物材料；從發(fā)表成名作“人工骨”到提出“材料生物學(xué)”新概念……他身體力行地指導(dǎo)組織再生材料研究與應(yīng)用開(kāi)辟新路徑的過(guò)程都被楊盛兵看在眼里、記在心里。跟隨導(dǎo)師學(xué)習(xí)7年，劉院士始終引領(lǐng)著楊盛兵的成長(zhǎng)。

楊盛兵初次見(jiàn)到的劉昌勝院士，是講臺(tái)上一名熱情四溢、神采飛揚(yáng)的生物材料學(xué)老師?！按髮W(xué)四年級(jí)時(shí)，我選修了劉老師的生物材料課，”楊盛兵回憶道，“劉老師的課堂非常生動(dòng)，他會(huì)深入淺出地將骨修復(fù)類(lèi)比為‘用水泥修葺房屋’，形象又易懂。但當(dāng)時(shí)我沒(méi)有想到的是，人骨的臨床修復(fù)中真的存在‘骨水泥’這種材料及手段，而且在劉院士聲情并茂的演說(shuō)里，它顯得強(qiáng)大又神秘，似乎將特性各異的原料進(jìn)行排列組合就能解決許多患者的‘?dāng)喙侵乩m(xù)’問(wèn)題。這一下子就引發(fā)了我的探究興趣?！痹跅钍⒈壑校牧蠈W(xué)本就是支撐各領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)性學(xué)科，當(dāng)研究深入之后，必定會(huì)面臨如何與其他行業(yè)交叉融合的難題。興趣所向，他自然十分欣喜能夠追隨導(dǎo)師進(jìn)入為人類(lèi)健康保駕護(hù)航的研究領(lǐng)域。自此，華東理工大學(xué)就成了師徒二人恪守初心的筑夢(mèng)之地。

據(jù)楊盛兵介紹，立于講臺(tái)上的劉昌勝院士是幽默風(fēng)趣的良友，但到了批閱論文時(shí)，他一絲不茍的嚴(yán)師本色便展露出來(lái)，“大到整體的研究思路、布局，小到行列之間的格式、標(biāo)點(diǎn)，任何一點(diǎn)小錯(cuò)誤都逃不過(guò)老師的‘火眼金睛’”。在如此細(xì)致的治學(xué)要求下，楊盛兵也不負(fù)所望成長(zhǎng)為一名“高徒”。在骨水泥改性的相關(guān)項(xiàng)目中，他經(jīng)歷了一種生物材料從性能實(shí)驗(yàn)到生物評(píng)價(jià)、動(dòng)物評(píng)價(jià)，以及最終被應(yīng)用至臨床、獲取資格證書(shū)的全鏈條研究過(guò)程，這不僅極大增強(qiáng)了楊盛兵的科研信心，也為他成為一名獨(dú)立的課題負(fù)責(zé)人打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。更重要的是，“問(wèn)題源自生活，成果導(dǎo)向應(yīng)用”的信念也在他心中深深扎下了根。

提出感染診斷新方法

醫(yī)院是距離患者最近的地方，只有真正見(jiàn)醫(yī)生之所見(jiàn)，急患者之所急，才能成就科研上的深入探索。2018年，隨著楊盛兵加入上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科，其研究生涯也翻開(kāi)了新篇。

目前，隨著全球人口老齡化日益加劇，骨質(zhì)流失和骨折等骨疾病正在成為全民關(guān)注的問(wèn)題。針對(duì)骨組織壞死、骨關(guān)節(jié)創(chuàng)傷等無(wú)法通過(guò)自體組織再生實(shí)現(xiàn)修復(fù)的情況，劉昌勝院士曾領(lǐng)銜學(xué)界提出了“人工骨”治療方法。然而這也并非萬(wàn)無(wú)一失的良策，無(wú)論是假體斷裂還是自身免疫排斥都可能造成手術(shù)失敗，而在眾多突發(fā)因素之中，細(xì)菌感染又是極為高發(fā)且難以治療的一個(gè)。

造成細(xì)菌難以被根除、殺滅的成因復(fù)雜，在感染早期難以被精準(zhǔn)診斷。楊盛兵說(shuō)道：“現(xiàn)在臨床上普遍使用的診斷方法是檢測(cè)患者的生化指標(biāo)，一旦炎癥指標(biāo)上升，便被視作感染的特征。這種方法雖然可以避免疏漏，但并不精準(zhǔn)。一般來(lái)講，術(shù)后人體會(huì)自發(fā)產(chǎn)生保護(hù)機(jī)制導(dǎo)致指標(biāo)上升，這是一種很正常的現(xiàn)象，并不一定是細(xì)菌感染造成的?！备腥驹缙谟跋駥W(xué)信號(hào)變化不明顯，血液學(xué)檢查由于受到術(shù)后非特異性CRP和ESR的增高而難以精確診斷感染，細(xì)菌培養(yǎng)法敏感性和特異性相對(duì)較低……這些都是造成感染漏診、誤診的罪魁。那么，到底要如何實(shí)現(xiàn)精確診斷？楊盛兵帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從“化學(xué)人”的視角，給出了亮眼的新答案。

楊盛兵提出：通常，體內(nèi)大部分的有氧呼吸發(fā)生在線(xiàn)粒體細(xì)胞色素氧化酶上，1個(gè)氧分子在此接受由呼吸鏈傳遞來(lái)的4個(gè)電子后被還原，并與4個(gè)氫離子作用生成2個(gè)分子水，但當(dāng)遇到細(xì)菌感染時(shí)，線(xiàn)粒體受到損傷，其電子傳遞鏈可能會(huì)“漏出”少量的電子直接與氧結(jié)合形成超氧自由基，導(dǎo)致超氧陰離子升高，繼而激發(fā)氧化應(yīng)激，活性氧增高，而活性氧正是激活炎癥反應(yīng)的元兇。據(jù)此，他創(chuàng)造性地提出了采用化學(xué)熒光分子探測(cè)因感染激發(fā)的活性氧信號(hào)分子，從而實(shí)現(xiàn)感染的高效、精準(zhǔn)、快速診斷?！拔覀冮_(kāi)發(fā)的系列探針申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利，有幾個(gè)已獲授權(quán)，基于這些探針也繼而開(kāi)發(fā)了感染診斷芯片，目前正在開(kāi)展臨床實(shí)驗(yàn)?！敝档靡惶岬氖?，系列成果曾經(jīng)榮獲2002年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，這也彰示著楊盛兵團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持的研究方向是正確的。

揭示抗生素耐受性的新靶點(diǎn)

然而，對(duì)于將患者的需要當(dāng)作召喚，把救治的責(zé)任當(dāng)作使命的醫(yī)生群體而言，“治愈”才是他們的初心和根本目標(biāo)。立足一線(xiàn)，楊盛兵感同身受，因此他從未停下探索的步伐，他清楚地知道遠(yuǎn)方仍遠(yuǎn)、長(zhǎng)路仍長(zhǎng)?！芭R床工作中，醫(yī)生通常使用抗生素治療細(xì)菌感染。但如今細(xì)菌已進(jìn)化出多種逃避抗生素殺滅的機(jī)制，如形成胞內(nèi)菌等，使得骨科術(shù)后感染治療困難重重?！庇谑牵芸炀玩i定了下一步的攻克目標(biāo)——胞內(nèi)菌感染，即一種逃避抗生素和免疫殺滅進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部的細(xì)菌，也稱(chēng)“持留菌”?！凹?xì)菌躲藏在細(xì)胞內(nèi)部時(shí)，因大多數(shù)抗生素難以跨越細(xì)胞膜，即便給予再大量的抗生素進(jìn)行治療也難以根除細(xì)菌，反而會(huì)營(yíng)造出一種已治愈的假象。而一旦停止用藥，這些胞內(nèi)菌就會(huì)走出細(xì)胞，再次‘興風(fēng)作浪’。這時(shí)候感染就會(huì)復(fù)發(fā)，為患者帶來(lái)更大的身心痛苦。”為此，楊盛兵團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種尺寸在100nm左右的新型含鎵金屬有機(jī)框架材料GaMOF，這一材料可以通過(guò)干擾細(xì)菌的鐵代謝和攜帶抗生素進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，定點(diǎn)清除胞內(nèi)菌，為醫(yī)學(xué)植入物感染的治療提供了一種定點(diǎn)清除細(xì)菌的“超級(jí)炸彈”。

但細(xì)菌的“狡猾”還遠(yuǎn)不止于此，在逃避抗生素殺滅的機(jī)制中，還有一種對(duì)抗生素產(chǎn)生的耐受性也讓臨床工作者頭疼不已?！翱股啬褪苄圆⒉坏韧诳股啬退幮??！睏钍⒈f(shuō)。耐藥細(xì)菌通常表達(dá)某些特定的耐藥基因，如耐藥酶或激活外排泵等對(duì)抗抗生素，或降低藥物與其靶標(biāo)結(jié)合的親和力；而抗生素耐受細(xì)菌并沒(méi)有攜帶任何特定的耐藥基因，從基因型上看屬于敏感菌，不影響抑制細(xì)菌所需的抗生素濃度，但會(huì)明顯延長(zhǎng)抗生素殺滅細(xì)菌所需的時(shí)間。耐受性細(xì)菌在高濃度抗生素存在的環(huán)境中存活的時(shí)間較長(zhǎng)，此后易突變成耐藥菌。

“這是一個(gè)惡性循環(huán)，感染細(xì)菌的殘留會(huì)增加用藥的劑量，而藥品長(zhǎng)時(shí)間、大劑量的攝入會(huì)導(dǎo)致軀體產(chǎn)生抗生素耐受。要想真正為患者謀求健康福祉，此耐藥耐受必須同等重視，通力解決?！痹谇捌谘芯恐?，他們發(fā)現(xiàn)抗生素耐受性細(xì)菌氣體信號(hào)分子H2S的表達(dá)較野生型細(xì)菌高，進(jìn)而推測(cè)H2S可作為治療靶點(diǎn)。為驗(yàn)證猜想，楊盛兵與團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的理論預(yù)測(cè)和篩選發(fā)現(xiàn)，Bi3+離子可有效降低細(xì)菌表達(dá)的H2S，使得抗生素耐受細(xì)菌恢復(fù)代謝活躍狀態(tài)及對(duì)抗生素的敏感性，增強(qiáng)抗生素對(duì)耐受菌的殺傷作用外，還可與H2S生成具有光聲信號(hào)的Bi2S3，幫助實(shí)現(xiàn)感染的早期診斷。這些成果的發(fā)表，為難治性感染與感染復(fù)發(fā)的解決提供了全新的方法與思路。

然而，拓展還不只如此，思路打開(kāi)便是海闊天空——如今，抗生素的廣泛使用導(dǎo)致細(xì)菌的耐藥性不斷增加，然而傳統(tǒng)抗生素的研發(fā)過(guò)程卻大大滯后于細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生，因而眾多企業(yè)和科研人員開(kāi)始投入大量精力研發(fā)非抗生素抗菌技術(shù)，楊盛兵團(tuán)隊(duì)也不例外，并且他們已可喜地取得了系列突破性成果。在最新的研究中，他意外發(fā)現(xiàn)非抗生素治療后部分細(xì)菌可以存活下來(lái)，進(jìn)一步深入探究后又發(fā)現(xiàn)這些殘留的細(xì)菌通過(guò)表達(dá)NO氣體信號(hào)分子對(duì)抗非抗生素殺滅。有了這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)后，楊盛兵帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了抑制細(xì)菌NO表達(dá)降低細(xì)菌非抗生素耐受的新材料，相關(guān)研究對(duì)抗菌材料的研發(fā)具有重要的指導(dǎo)作用。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）上。

開(kāi)發(fā)新型抗菌骨材料

研究是根基，應(yīng)用是歸宿。對(duì)楊盛兵而言，成果的轉(zhuǎn)化與推廣也是研究工作中極為重要的一環(huán)。因此，除了對(duì)理論性的基礎(chǔ)研究進(jìn)行攻堅(jiān)克難，他也積極與企業(yè)開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研醫(yī)合作研究，力爭(zhēng)將前沿的科研成果快速推向市場(chǎng)。

近期，楊盛兵團(tuán)隊(duì)在轉(zhuǎn)化方面便有所進(jìn)展?！叭绻麑⒂写龠M(jìn)成骨效果的鎵金屬與鈦合金材料相結(jié)合，或許能使骨治療技術(shù)再上一個(gè)臺(tái)階”，憑借敏銳的洞察力和極強(qiáng)的執(zhí)行力，這個(gè)設(shè)想在成形后不久便照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。雖然過(guò)程荊棘叢生，無(wú)論是先進(jìn)復(fù)合材料的合成難度還是新冠疫情期間組員難以碰面進(jìn)行集中探討實(shí)驗(yàn)的阻礙，都一度令楊盛兵非常頭痛。但所幸，2篇發(fā)表于生物材料研究領(lǐng)域?qū)W術(shù)期刊《生物材料研究》（Biomaterials Research）、《復(fù)合材料B輯：工程》（Composites Part B： Engineering）的研究文章為鈦鎵合金的應(yīng)用創(chuàng)造了一個(gè)良好的開(kāi)端。兩篇文章言簡(jiǎn)意賅地講述了含鎵鈦合金具有抗菌和促進(jìn)骨整合的多重功效，在臨床上極其具有應(yīng)用前景。目前，成果已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，也和企業(yè)簽訂了橫向開(kāi)發(fā)協(xié)議，力爭(zhēng)可以早日制成植入器械，造?；颊?。

作為上海市醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會(huì)生物材料應(yīng)用專(zhuān)委會(huì)副主任，楊盛兵對(duì)成果轉(zhuǎn)化的殷殷期盼不言而喻，而促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化最快的方式是從自身做起，把握好每一個(gè)數(shù)據(jù)，確保其正確、精準(zhǔn)；但作為上海市青年科技人才協(xié)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)，他卻希望可以在面向青少年開(kāi)展的科普教育活動(dòng)中“慢”下來(lái)，讓生物醫(yī)學(xué)科技的種子深植在這些未來(lái)之星的澄澈心靈中，且最好是以寓教于樂(lè)、潤(rùn)物無(wú)聲的方式?！芭d趣曾是我最好的老師，也為我?guī)?lái)了最好的老師，因此我希望孩子們可以慢慢體會(huì)科學(xué)探索的樂(lè)趣，讓這股清泉在漫長(zhǎng)的歲月中細(xì)水長(zhǎng)流，這樣科研的傳承才能生生不息，被一代代青出于藍(lán)的‘播種者’澆灌出更加絢爛的理學(xué)之花?！睏钍⒈f(shuō)道。