等离子体中活性含氧/氮基团对S.aureus生物膜再生特性的作用机制研究

Plasma could inactivate the Staphylococcus aureus (S. aureus) biofilms located on the wounds’ surfaces with high efficiency. However, the remaining few survival bacteria encased in the plasma-treated biofilms possess the biosafety risks in regenerating biofilms thus triggering wound re-infections. Plasma-generated reactive oxygen/nitrogen species (RONS) are considered as key factors in affecting the biofilm regeneration characteristics of S. aureus. However, the specific mechanisms are still unclear. In this project, multiple biological analytical methods are adopted to systematically evaluate the change rules on the S. aureus biofilm regeneration characteristics triggered by plasmas which contain specific types of gaseous RONS (O, OH or NOx) with targetedly increasing intensity/proportion, respectively. Afterwards, the plasma diagnostic techniques combined with various chemical detection methods are utilized to reveal the variation and regulation rules on the type/intensity (content) of the gaseous RONS in abovementioned plasmas and the plasma-induced aqueous RONS in the blood serum which soaks microbial biofilms. On this basis, the biological responses are comprehensively investigated between the aqueous RONS and the S. aureus biofilm regeneration characteristics. Moreover, multiple specific scavengers for particular aqueous RONS are introduced into the research system to verify the obtained biological responses, thus finally illuminating the related mechanisms on the S. aureus biofilm regeneration characteristics by the plasma-generated RONS. The research results can provide experimental data support for the clinical application of the plasma therapy on the biofilm-driven wound infections.

等离子体可高效失活伤口表面定植的金黄色葡萄球菌（S.aureus）生物膜，但膜中残留的少量存活细菌具有再次生成生物膜从而诱发伤口二次感染的生物安全性隐患。等离子体中活性含氧/氮基团（RONS）被认为是影响S.aureus生物膜再生特性的关键因子，然而相关作用机制尚不明晰。. 本项目拟先通过生物学表征手段系统评价：针对性提高等离子体中不同种类气相RONS（O、OH或NOx）的强度/占比后，S.aureus生物膜再生特性的变化规律；随后利用等离子体诊断技术和化学分析方法，揭示上述等离子体中气相RONS及其引发浸润生物膜的血清中生成的液相RONS的种类/强度（含量）变化和调控规律；在此基础上综合考察液相RONS与S.aureus生物膜再生特性之间的生物响应关系，并引入专一性RONS清除剂加以验证，最终阐明作用机制。研究结果可为等离子体治疗伤口生物膜感染的临床应用提供实验数据支持。

等离子体可高效失活伤口表面定植的金黄色葡萄球菌（S.aureus）生物膜，但膜中残留的少量存活细菌具有再次生成生物膜从而诱发伤口二次感染的生物安全性隐患。等离子体中的活性含氧/氮基团（RONS）及其诱导液相中生成的RONS被认为是影响S.aureus生物膜再生特性的关键因子，然而三者之间的响应关系和作用机制尚不明晰。.本项目主要开展了：（1）等离子体中RONS及其引发生成的液相RONS的诊断和调控研究；（2）等离子体中RONS影响S. aureus生物膜再生特性的效果研究；（3）等离子体中RONS影响S. aureus生物膜再生特性的机制探究。研究结果显示：（1）工作气体中掺入一定量O2有利于等离子体中典型气相RONS的生成；（2）等离子体中气相RONS诱导人体组织液中生成的长寿命液相RONS可能是影响S.aureus生物膜再生特性的重要因子；(3) 等离子体处理导致仍存活S.aureus的生物膜再生能力显著降低，再生生物膜的生物量、细菌可培养发育能力和新陈代谢能力均大幅下降；（4）等离子体处理导致再生生物膜中与膜形成相关的靶基因表达水平显著下降；(5) 再生生物膜中S.aureus的胞内ROS浓度较处理前并无明显变化，说明等离子体未激发S.aureus的胞内氧化应激反应，其生物膜再生能力的减弱与细菌内源性ROS并无关联；（6）再生S.aureus生物膜传代后所得第三代生物膜的生物量和其中可培养发育细菌的数量均恢复至处理前水平，说明等离子体中RONS仅使再生生物膜中细菌发生表型变化。.本项目研究成果证实等离子体携带的气相RONS能够以其诱导人体组织液中生成的液相RONS为介导，对S. aureus生物膜的再生能力产生长效抑制效果，显著减少子代生物膜形成，这为未来使用等离子体技术临床治疗致病菌生物膜导致的人体皮肤创面慢性感染提供了有效的理论依据与实验数据支持，具有较高的科学研究意义。