中枢神经系统（Central Nervous System, CNS）感染由于血脑屏障递送受限、局部免疫环境复杂以及耐药菌持续出现，始终是临床治疗中的重大挑战。尤其是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）等耐药菌引发的脑和脊髓感染，传统抗生素不仅存在递送效率低、长期用药毒副作用明显等问题，还容易诱导耐药性进一步发展。因此，发展区别于传统抗生素作用模式的新型抗感染策略，对于中枢神经系统感染治疗具有重要意义。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林院士、林翰研究员团队联合复旦大学附属华山医院等单位，提出了一种基于二维镁烯（Magnesene）纳米片的“微环境镁超载（Microenvironment Magnesium Overload）”抗菌策略，通过在细菌–材料界面局部释放高浓度Mg²⁺，实现对细菌膜功能和能量代谢的精准干扰，从而有效清除耐药性中枢神经系统感染。

图1 二维镁烯在中枢神经系统感染中的抗菌和治疗机制示意图

与传统抗生素直接靶向细菌蛋白或代谢通路不同，此工作利用二维镁烯纳米片的高表面活性和特殊界面行为，在细菌表面构建局部Mg²⁺富集微环境。研究发现，镁烯能够通过表面电荷与细菌膜发生强烈贴附，并在界面区域持续释放Mg²⁺。这一过程不会简单导致环境中Mg²⁺均匀升高，而是在细菌表面形成局部离子“超载”状态。

图2 镁烯的合成与抗菌性能表征

为系统揭示镁烯的抗菌机制，研究团队结合材料表征、理论模拟及生物学实验开展了多尺度研究。通过Zeta电位分析发现，镁烯与金黄色葡萄球菌和大肠杆菌之间存在明显界面吸附行为，说明二维镁烯能够稳定贴附于细菌膜表面。进一步利用Mg²⁺荧光探针结合激光共聚焦成像（CLSM）发现，与MgCl₂溶液相比，镁烯处理组在细菌表面产生了更加显著的Mg²⁺局部富集信号，证明“局部镁超载”主要来源于材料–细菌界面，而非环境整体Mg²⁺浓度升高。理论模拟结果则表明，二维镁烯锋利边缘能够对细菌膜产生机械扰动，并与局部Mg²⁺超载协同作用，最终导致细菌膜功能全面失衡。进一步的机制研究表明，局部Mg²⁺异常富集会显著干扰细菌膜的离子稳态与跨膜运输功能，抑制细菌葡萄糖摄取及能量代谢相关酶活性，最终导致细菌膜功能崩溃与死亡。值得注意的是，这种机制并非传统意义上的ROS氧化杀菌或抗生素抑菌，而是一种基于“界面离子失衡”的全新抗菌模式。

图3 镁烯在细菌–材料界面诱导局部镁超载，并破坏细菌膜转运功能及葡萄糖代谢通路的实验验证

图4 结构表征、分子动力学模拟及膜损伤分析揭示了镁烯对细菌膜的优先界面作用与机械破坏机制

在体外实验中，镁烯对MRSA表现出显著的浓度依赖性抗菌活性，并在高浓度下实现接近完全的菌落清除。为进一步验证其临床转化潜力，研究团队建立了大鼠中枢神经系统感染模型，并与临床标准抗生素进行了系统对比。研究中，团队引入了万古霉素（Vancomycin）作为MRSA敏感阳性对照，同时使用氨苄西林（Ampicillin）作为MRSA耐药阴性对照。结果显示，氨苄西林对MRSA感染几乎无明显抑制作用，而镁烯则能够显著降低脑和脊髓组织中的细菌负荷，其抗菌效果接近万古霉素。

该工作提出了基于二维镁烯纳米片的“局部镁超载”抗菌新机制，突破了传统抗生素依赖特定生物靶点的思路，为耐药性中枢神经系统感染治疗提供了一种新的无机纳米医学策略。通过将界面离子调控、膜功能破坏和二维材料机械效应相结合，该研究不仅拓展了二维材料在抗感染领域的应用，也为开发新型非抗生素抗菌体系提供了重要启发。

相关研究成果在国际著名学术期刊Journal of the American Chemical Society（IF=15.6）上发表了题为“Microenvironment Magnesium Overload Disrupts Bacterial Membrane Functions for the Central Nervous System Infection Treatment”的研究论文。论文第一作者为上海硅酸盐所博士生陈奕涵，通讯作者为复旦大学华山医院谢嵘教授、上海硅酸盐所林翰研究员和上海硅酸盐所施剑林院士。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c20581