2026年5月，复旦大学附属华山医院谢嵘教授联合中国科学院上海硅酸盐研究所林翰研究员、施剑林院士团队，在全球化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society（JACS，中科院1区top，影响因子15.6）发表题为“Microenvironment magnesium overload disrupts bacterial membrane functions for the central nervous system infection treatment”的研究论文。该研究开发了一种二维镁烯纳米片，通过在细菌表面制造局部Mg²⁺过载，并结合二维片层的物理破膜效应，实现对中枢感染尤其是脑池开放后感染的细菌高效杀伤，并在动物模型中降低脑和脊髓细菌负荷及神经炎症。谢嵘教授团队长期开展脑脊髓脊柱、颅颈交界临床研究以及从临床问题出发的基础研究，值得注意的是，这已是该团队2025年以来连续发表的第六篇高质量成果（IF>10）。
中枢神经系统感染是神经外科和重症医学中高度危险的疾病。脑膜炎、脑炎、脑室炎、术后颅内感染、脑室外引流或植入器械相关感染，均可迅速导致高热、意识障碍、癫痫和神经功能损害，严重者危及生命。尤其需要重视的是，后颅窝、椎管和脊柱相关感染危害更大、治疗更困难：后颅窝空间狭窄，毗邻脑干和第四脑室，少量炎症水肿或脓肿即可造成脑干受压、脑脊液循环障碍甚至呼吸循环风险；椎管和脊柱感染则可能压迫脊髓、马尾或神经根，引起运动、感觉和括约肌功能障碍，严重时可导致不可逆瘫痪。
这类感染的治疗难点在于，抗菌药物难以充分穿透血脑屏障或血脊髓屏障；即使采用脑室或鞘内给药，也需要警惕神经毒性和局部离子环境扰动。同时，耐药菌和植入器械相关生物膜会进一步降低传统抗生素疗效。因此，中枢感染治疗的核心矛盾是：既要快速、有效地降低细菌负荷，又要尽可能保护脆弱的脑和脊髓组织。
图1 二维镁烯的制备与抗菌机制示意图
一、研究策略：在细菌表面制造局部“镁离子过载”
传统抗生素多依赖特定分子靶点，如细胞壁合成、蛋白合成或DNA复制。细菌一旦通过靶点突变、外排泵增强或酶降解等方式逃逸，药效就会下降。镁烯的思路不同：它并不依赖单一传统抗菌靶点，而是贴附在细菌膜表面，形成局部高浓度Mg²⁺微环境。
这种“微环境镁过载”不同于普通镁盐溶液的均匀扩散。研究显示，二维镁烯可在细菌表面富集Mg²⁺，干扰膜转运系统、糖摄取和磷酸转移酶系统，使细菌的营养摄入和能量代谢受损。与此同时，镁烯在水环境和感染微环境中发生表面羟基化，形成粗糙、锋利的二维片层结构，可直接损伤细菌膜或细胞壁，导致膜变形、破裂和胞内物质泄漏。
因此，镁烯形成了“化学干扰+物理破膜”的双重抗菌模式：一方面通过局部Mg²⁺过载削弱细菌膜功能和能量代谢；另一方面利用二维结构破坏细菌膜完整性。这种多重打击机制理论上可降低细菌依靠单一耐药机制完全逃逸的可能性。
图2 镁烯诱导细菌表面Mg²⁺过载
图3 镁烯破坏细菌膜结构
二、体内验证：降低细菌负荷并缓解神经炎症
为验证镁烯在体内是否有效，研究团队建立了中枢神经系统感染动物模型，将金黄色葡萄球菌注入大鼠侧脑室，以模拟脑室炎、术后感染及导管相关感染等临床场景，随后通过鞘内给药给予镁烯治疗。
结果显示，镁烯治疗后，感染动物的体温逐渐恢复，血液中C反应蛋白、白细胞和中性粒细胞等感染相关指标改善。荧光成像和菌落培养进一步显示，未经治疗的感染组在脑和脊髓中仍有大量细菌残留，而镁烯治疗组细菌信号明显下降，菌落数量减少。组织学结果也提示，感染导致的脑组织结构紊乱、脊髓血管充血和炎症细胞浸润在治疗后得到缓解。
除降低细菌负荷外，镁烯还减轻了中枢神经炎症。治疗组小胶质细胞活化和iNOS阳性炎症信号减少，脑和脊髓中TNF-α、IL-6、IL-1β等促炎因子水平下降；NF-200和GFAP等指标提示神经结构保存较好，星形胶质反应趋于改善。对于中枢感染而言，这一点很关键：清除细菌只是第一步，控制炎症扩散和保护神经结构同样决定预后。
图4 镁烯治疗后细菌负荷下降
图5 镁烯治疗减轻中枢神经炎症
三、临床样本：基于废弃脑脊液的体外观察
研究还纳入了中枢感染患者的脑脊液样本，用于观察真实临床感染环境中的微生物和炎症变化。需要明确的是，镁烯并未直接用于患者治疗；相关分析仅基于常规引流过程中产生的废弃脑脊液样本进行体外研究。
结果显示，患者治疗前脑脊液中存在较高丰度的潜在致病菌，如Escherichia属和Staphylococcus属；经过临床标准治疗后，病原菌丰度下降，脑脊液微生态结构发生变化，TNF-α、IL-1β、IL-6等炎症因子水平也有所改善。这些结果说明，真实临床脑脊液感染环境具有明确的病原菌负荷和炎症反应，为后续评估镁烯等局部抗感染纳米材料提供了更贴近临床的参考。
四、研究意义：为复杂中枢感染提供非传统抗生素思路
本研究的价值不只是发现了一种新的抗菌材料，而是提出了区别于传统抗生素的中枢感染干预思路。二维镁烯通过重塑细菌表面微环境，使细菌在膜转运、糖摄取、能量代谢和结构完整性等多个层面同时受损，为耐药中枢感染提供了新的材料学解决方案。
不过，该策略目前仍处于动物实验和体外临床样本验证阶段。中枢神经系统对离子变化、炎症反应和材料残留高度敏感，未来仍需系统评估长期安全性、代谢路径、剂量窗口、规模化制备一致性，以及在后颅窝、椎管、脊柱等复杂感染场景和大动物模型中的疗效进行相关临床转化。总体来看，二维镁烯提示我们：未来中枢抗感染工具不一定只依赖传统抗生素，也可能来自能够精准调控感染微环境的无机纳米药物。
本研究由中国科学院上海硅酸盐研究所与复旦大学附属华山医院神经外科共同完成。施剑林院士、林翰研究员与复旦大学附属华山医院谢嵘教授为本研究的共同通讯作者；博士研究生陈奕涵（中科院硅酸盐所）与丁元清（华山医院）为本研究共同第一作者。
复旦大学附属华山医院神经外科脊髓脊柱亚专业组多年来在周良辅院士、毛颖院长、车晓明主任的指导下，目前已是国内脊髓脊柱、颅颈交界疾病领域最具竞争力的临床与科研中心之一，全面进行各类脊髓脊柱、颅颈交界疾病的外科手术治疗，同时坚持从临床问题出发，开展各类高质量的临床研究与应用基础研究，为推动神外脊柱脊髓学科进步不断努力。
通讯作者简介
谢嵘 主任医师
复旦大学附属华山医院
医学博士、博士后
复旦大学附属华山医院神经外科主任医师、教授、博士生导师
福建医科大学附属第一医院神经外科兼职教授、博导
第七届中国医师协会神经外科医师分会脊柱脊髓学组副组长，亚太颈椎学会（APCSS）执行委员，世界神经外科联合会（WFNS）脊柱脊髓委员会执行委员，第三届上海市医师协会神经外科医师分会委员，第三届上海市中西医结合学会神经外科专业委员会常务委员，第十、十一届上海市医学会神经外科分会脊髓脊柱学组委员兼秘书，以及中国研究型医院学会脊髓脊柱专业委员会等多个学会的全国常委、委员及秘书
擅长各类椎管内肿瘤、椎旁肿瘤、脊髓肿瘤、脑肿瘤、颅颈交界与神经脊柱疾病的手术治疗
致力于脊髓功能保护的关键机制研究。主持国家自然科学基金项目5项，科技部国家重点研发项目子课题1项，省部级课题多项。在PNAS、ACS Nano、Materials Today、J Nanobiotech、JNS、Spine、Stroke、JCBFM等国际权威期刊上发表SCI文章40余篇。培养硕士生及博士生10余名
荣获2022年王忠诚中国神经外科医师年度奖：青年医师奖
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