海洋弧菌是海水养殖中极为普遍的一类致病菌[1]。近年来，高密度养殖和环境污染给海洋弧菌的爆发提供了可乘之机。大菱鲆养殖作为北方海水养殖的支柱产业，近年来深受鳗弧菌等海洋弧菌造成的烂鳍病的危害，一经传播，数日内死亡率可高达80%，常造成重大经济损失[2, 3]。目前，行业内仍主要采用抗生素等化学药物进行防控，不仅引发细菌耐药性逐年增强，更造成水体环境污染和食品安全隐患[4]。虽然疫苗、益生菌和中草药也正在研发和推广使用，但成本高、靶向性低和防控效果弱等问题仍亟待解决。
反义寡核苷酸（antisense oligonucleotide，ASO）作为一类能特异性结合靶信使RNA（mRNA），以抑制特定蛋白表达的手段已在疾病治疗中得到关注[5]。尽管其具有很强的抑制基因表达能力，但无法自行穿过细菌细胞壁和膜进入细菌[6]。具有独特尺寸和表面特性的纳米结构作为新一代递送材料已广泛用于真核细胞中ASO的递送[7]，但利用其将ASO递送至细菌中仍然充满挑战。
2025年2月，进化所王国庆教授与食品学院林洪教授团队合作，在Advanced Science杂志发表题为“Nanodot-Inspired Precise Bacterial Gene Suppression in a Smart Hydrogel Bandage for Underwater Wound Healing”的研究成果。这项研究以低成本、生物兼容性碳点（CDs）作为载体，将外源ASO核酸成功递送至鳗弧菌，实现对鳗弧菌产生降解鱼体表粘液的金属蛋白酶致病基因（empA）的调控[8]。实验不仅揭示了纳米结构在递送ASO至细菌中的规律和机制，还将这一技术与水下黏附水凝胶结合，获得“水下创可贴”以提升其感染伤口修复的靶向效果，为水下环境中动物细菌疾病的防控提供了切实可行的创新解决方案（图1）。
图1. 基于CDs的ASO递送系统结合水下黏附水凝胶，用于水下环境中细菌疾病控制和伤口治疗的示意图。
这一研究利用流式细胞术和荧光显微术等手段揭示了鳗弧菌对ASO/CDs内化，并使用RT-qPCR测定了鳗弧菌中empA基因的表达水平（图2a）。结果如图2b所示，与ASO/CDs共孵育的鳗弧菌的empA基因的转录水平降低71.2%。在鳗弧菌的表型测试中，进一步观察到使用ASO/CDs处理的鳗弧菌周围的蛋白降解区域明显更小（图2c-d）。这表明CDs可以将ASO递送至鳗弧菌并实现靶向基因调控。
图2. ASO/CDs在鳗弧菌靶基因失活中的应用。（a）使用RT-qPCR测量内化ASO/CDs的鳗弧菌中epmA基因转录水平的示意图。（b）鳗弧菌中epmA基因的转录水平。（c）使用ASO/CDs抑制鳗弧菌中金属蛋白酶产生的示意图。（d）鳗弧菌经不同处理后的表型变化
为利用ASO/CDs靶向抑制水下伤口部位的鳗弧菌，制备了一种具有优异机械性能和水下黏附性的水凝胶，以维持伤口部位的ASO/CDs较高浓度，以高效愈合伤口。制备的水凝胶具有良好的拉伸性能，其拉伸强度高达188.9 kPa，伸长率约为157%（图3a）。并且，水凝胶对不同基材（生物组织、钢板、有机玻璃、和玻璃）均有一定的粘附力（图3b）。尤其是对生物组织（猪皮）粘附性能最好，最大强度超过50 kPa（图3c）。这是因为水凝胶可通过氢键、静电相互作用和动态共价键的组合粘附生物组织，而它与非生物材料的粘附仅依赖于氢键。此外，观察到水凝胶在海水中对生物的粘附力随时间的延长而增强（图3d-e）；在不同流速水环境下水凝胶对海水中生物组织的粘附性能几乎不受影响（图3f-g）。
随后，研究评估了ASO/CDs在防治大菱鲆白鳍病中的效果（图3h）。用ASO/CDs-水凝胶处理的感染鳗弧菌的大菱鲆如图3i所示，水凝胶粘附在感染鳗弧菌的大菱鲆伤口部位可持续保留ASO/CDs。经不同处理的大菱鲆在划伤5天后的状态如图3j所示，对照组感染鳗弧菌的大菱鲆则表现出背部变白、鳍腐烂等典型症状；而用ASO/CDs-水凝胶复合物处理的大菱鲆（图3j-iii）未出现鳍腐烂症状。因此，使用黏附水凝胶密封的ASO/CDs可以作为一种非抗生素防控和干预措施，有效防止感染鳗弧菌的大菱鲆患白鳍病。这一研究也为水环境中防控动物和人类疾病提供了新思路。
图3. 水凝胶的表征及ASO/CDs-水凝胶在大菱鲆白鳍病防治中的应用。（a）水凝胶的应力-应变曲线。（b）水凝胶对不同基材的粘附性能示意图。（c）水凝胶对生物组织（猪皮）、钢材、有机玻璃和玻璃的粘附强度。（d）水凝胶在海水中不同浸泡时间后对猪皮的粘附强度。（e）水凝胶在海水中浸泡一定时间后对生物组织的粘附示意图。（f）水凝胶在海水的不同流动动力学条件下对生物组织的粘附示意图。（g）水凝胶在海水的不同流动动力学条件下对猪皮的粘附强度。（h）使用水凝胶密封ASO/CDs防治由鳗弧菌感染的大菱鲆白鳍病的示意图。（i）水凝胶粘附在用ASO/CDs处理的大菱鲆伤口部位的代表性图片。（j）划伤的大菱鲆经过不同处理后第五天的代表性照片。
论文的通讯作者为王国庆教授和玄冠华副教授，第一作者为博士生张青松。中国海洋大学林洪教授、徐晓峰教授、王秀丹副教授和宁波大学张卫卫研究员等老师们对本文也有重要贡献。相关工作得到国家自然科学基金等项目资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202415169
参考文献
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