抗菌納米結(jié)構(gòu)通過(guò)免疫代謝調(diào)控治療植入物相關(guān)感染

文獻(xiàn)信息
寧波大學(xué)附屬李惠利醫(yī)院等單位的研究成果“Virulence - Selective Trap – Capture – Kill Antibacterial Nanostructures With Immune – Metabolic Regulation for Treating Implant - Associated Infections（毒力選擇性誘捕-捕獲-殺滅型抗菌納米結(jié)構(gòu)通過(guò)免疫代謝調(diào)控治療植入物相關(guān)感染）在《ADVANCED SCIENCE》雜志（IF=14.1）上發(fā)表。平生公司的離體CT（VENUS）在論文中提供股骨標(biāo)本圖像和定量分析。該研究的通訊作者為彭兆祥主任。第一作者為胡曉東。

文獻(xiàn)摘要
骨科植入物相關(guān)感染（IAI）的治療面臨著越來(lái)越多的耐藥性問(wèn)題，本研究報(bào)道了一種毒力選擇性誘捕-捕獲-殺傷抗菌系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)IAI引起的免疫和代謝微環(huán)境紊亂，有效治療持續(xù)性感染，同時(shí)促進(jìn)局部骨組織再生。在這里，這項(xiàng)工作制造了一個(gè)納米結(jié)構(gòu)的抗菌系統(tǒng)（F-14-TNA）的基礎(chǔ)上，二氧化鈦納米管陣列改性的陽(yáng)離子五環(huán)共面骨架，fascaplysin衍生物14（F-14）。改性表面誘導(dǎo)獨(dú)特的毒性引發(fā)的趨化行為，其中TiO2納米結(jié)構(gòu)選擇性地從感染微生物群中誘捕高致病性細(xì)菌菌株。這些被誘捕的細(xì)菌菌株隨后通過(guò)靜電作用被F-14表面捕獲，然后通過(guò)磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)環(huán)磷酸腺苷受體蛋白級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)的活性氧介導(dǎo)的途徑殺死毒性選擇性細(xì)菌。體內(nèi)外研究表明，F(xiàn)-14-TNA具有多種生物相容性功能，如有效的抗菌活性、調(diào)節(jié)骨感染的免疫微環(huán)境、恢復(fù)紊亂的骨代謝。本研究中開(kāi)發(fā)的納米結(jié)構(gòu)為IAI的治療提供了一種新的方法。

實(shí)驗(yàn)方法
體內(nèi)微生物學(xué)評(píng)價(jià)
在植入后2周和4周，所有SD大鼠均被安樂(lè)死，以獲得右側(cè)股骨，并從股骨標(biāo)本中小心地取出金屬棒。然后隨機(jī)選擇三個(gè)股骨并進(jìn)行超聲處理以收集粘附在植入物表面和骨組織上的細(xì)菌。將菌懸液稀釋、平皿培養(yǎng)、計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)每皿菌落形成單位（CFU），評(píng)價(jià)種植體表面和骨組織粘附的細(xì)菌數(shù)量。

Micro-CT分析
微型計(jì)算機(jī)斷層掃描：4%組織細(xì)胞固定液浸泡后，通過(guò)MicroCT掃描大鼠股骨樣本（型號(hào)：VENUS，平生醫(yī)療科技有限公司）在掃描和重建之后，距股骨髓腔金屬棒外周1 mm高、1 mm周長(zhǎng)的圓柱形區(qū)域（不包括髓內(nèi)釘）定義為感興趣區(qū)（ROI），在此區(qū)域內(nèi)測(cè)量骨密度（BMD）、骨體積（BV）、骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）、骨小梁數(shù)目（BMD）、骨密度（BMD）、骨小梁數(shù)目（BV/TV）、骨密度（BMD）、骨密度（BV）、骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）、骨小梁數(shù)目（BV/TV N）、骨小梁厚度（Tb.Th）、骨小梁分離度（Tb.Sp）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
滅菌后，骨植入材料的骨整合仍然是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。Micro-CT分析了大鼠股骨，評(píng)估體內(nèi)植入后2周和4周植入物內(nèi)的新骨生成。重建顯示Ti，TNA和D-TNA的缺損周圍有明顯的骨吸收，可能歸因于細(xì)菌增殖介導(dǎo)的骨溶解，而F-14-TNA顯示出實(shí)質(zhì)性的體內(nèi)成骨活性，具有相當(dāng)多的新骨形成（圖10A）。圖10 B顯示BV、BV/TV、BMD和Tb. N、Tb. Th和Tb的定量結(jié)果。與Ti、TNA和D-TNA組相比，F(xiàn)-14-TNA組具有更高的BMD，更多的新形成的BV，更高的Tb. Th值和更低的Tb. Sp值。未觀察到組間Tb. N的顯著差異。未改變的Tb. N表明F14-TNA主要通過(guò)增厚現(xiàn)有的骨小梁而不是增加骨小梁數(shù)量來(lái)促進(jìn)骨修復(fù)，F(xiàn)-14-TNA組的BV/TV和Tb、Th均顯著高于Ti組，證實(shí)其通過(guò)抑制骨溶解促進(jìn)骨再生，這些結(jié)果表明F-14-TNA具有突出的骨整合和抗菌能力。

圖10. Micro-CT評(píng)估結(jié)果。A）橫斷面、矢狀面重建、冠狀面重建和重建（黃色標(biāo)記突出顯示植入物，紅色標(biāo)記表示骨組織，紅色右側(cè)表示骨和植入物界面整合區(qū)域）. B）重建區(qū)域的BV、BV/TV、BMD、Tb. N、Tb. Th和Tb. Sp的定量結(jié)果。

使用結(jié)論
本研究成功設(shè)計(jì)了F-14修飾的TiO2納米結(jié)構(gòu)作為一種毒力選擇性誘捕-捕獲-殺滅抗菌系統(tǒng)，具有良好的抗炎、促成骨生成、抗破骨細(xì)胞和體內(nèi)外抗菌作用。根據(jù)RNA測(cè)序結(jié)果，F(xiàn)-14 TNA主要通過(guò)調(diào)節(jié)PTS-cAMP-Crp級(jí)聯(lián)反應(yīng)，通過(guò)ROS介導(dǎo)的大分子損傷途徑傳遞信號(hào)來(lái)殺滅細(xì)菌。綜上所述，毒力選擇性誘捕-捕獲-殺滅抗菌系統(tǒng)有助于IAI的治療和創(chuàng)新抗菌策略的發(fā)展。

使用設(shè)備

 Micro CT（型號(hào)：VENUS）（平生醫(yī)療科技）
影像軟件：Avatar（平生醫(yī)療科技）