用微电流代替抗生素：电子皮肤贴片为细菌感染提供零药方案

　　

通过对皮肤进行几次电击，研究人员可以在不使用任何药物的情况下阻止细菌感染。研究人员首次设计了一种皮肤贴片，它使用难以察觉的电流来控制微生物。研究结果发表在10月24日细胞出版社的《Device》杂志上。

科学家们已经在利用电操纵包括人类在内的哺乳动物细胞，并在不使用药物的情况下治疗疾病。例如，起搏器可以通过用小电流刺激心脏肌肉来调节心跳。视网膜假体是一种仿生眼，它也利用电刺激患者的视网膜来部分恢复视力。尽管驻留细菌在人类健康中起着至关重要的作用，但它们的电刺激特性却很少被探索。芝加哥大学的Tian和他的团队想知道他们是否可以用电代替抗生素来操纵细菌——由于人类和牲畜过度使用抗生素，许多微生物已经进化并对现有药物产生抗药性，随着时间的推移，它们的效果越来越差，导致全球抗生素耐药性危机。此前的研究估计，仅2019年，耐药感染可能导致全球约127万人死亡。

表皮葡萄球菌是人类皮肤上的一种常见细菌，通常是无害的，甚至可以保护皮肤免受病原体的侵害。但当它通过切口或导管等医疗程序进入人体时，可能会导致严重的感染，是一种常见的临床感染细菌。表已知有三株表皮葡萄球菌对所有种类的抗生素都具有耐药性，可能对健康带来潜在威胁。

研究小组用1.5伏的弱电压刺激细菌，测试表皮葡萄球菌是否会对电刺激产生反应。这个电压明显低于人类难以察觉和安全的15伏极限，每10分钟刺激10秒，持续18小时。表皮葡萄球菌在中性pH下没有反应，但在健康皮肤的酸性环境中被电刺激，电处理可以阻止99%的生物膜（biofilm）—— 一群阻碍药物并导致持续感染的细菌。这种现象称为“选择性刺激”，因为细菌对它们表现出激活的环境是有选择性的或挑剔的。当环境pH为中性时，处理效果不明显。利用选择性刺激，可以用温和的电刺激抑制细菌的毒力因子。这种方法提供了局部的、可编程的和无抗生素的方法来控制机会性病原体。

进一步分析还发现，电刺激后，表皮葡萄球菌显示出几种基因的表达减少，包括与抗生素耐药性和生物膜形成相关的基因。

为了在适当的条件下通过刺激表皮葡萄球菌来治疗皮肤伤口，研究小组设计了一种皮肤贴片，称为生物电子局部抗菌刺激疗法（BLAST）。贴片包含电极和水凝胶，以提供酸性环境。他们在接种了表皮葡萄球菌的猪皮上测试了该装置。经过18小时的处理周期后，研究小组观察到生物膜覆盖率显著下降，表皮葡萄球菌细胞数量比未处理的样品减少了近10倍。他们还在导管表面测试了该装置，并看到了同样的抗菌效果。Tian田教授说，通过进一步的研究来检验这种治疗的安全性和有效性，科学家们可以开发出一种带有无线电路的可穿戴贴片，无需药物即可控制感染。

“这为无药物治疗开辟了令人兴奋的可能性，特别是对于皮肤感染和伤口愈合，抗生素耐药细菌构成了严重的挑战，”芝加哥大学的Bozhi Tian说，他是该论文的共同资深作者之一。

“因为葡萄球菌是自然存在于我们皮肤上的微生物生态系统的一部分，我们不愿意根除它，因为它们在我们皮肤上的完全缺失可能会导致其他问题，”该论文的另一位资深作者、加州大学圣地亚哥分校的 Gürol Süel 说。

同样来自芝加哥大学的第一作者Saehyun Kim说：“细菌对电的反应还没有被很好地探索，部分原因是我们不知道细菌会被激发的具体条件。”“发现这种选择性刺激将帮助我们发现如何通过观察不同的条件来控制其他细菌物种。”