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骨感染治疗的新型抗菌策略:一种靶向破坏生物膜的超声微纳米系统
作者: 刘宗超
单位: 西南医科大学附属中医医院

摘要

目的
        植入物相关感染(implant-associated infection, IAI)是外科特别是骨科、神经外科及口腔科常见而棘手的术后并发症,严重影响患者康复和生活质量。其难以治愈的关键在于细菌在植入物表面形成的生物膜结构。生物膜由多糖、蛋白质和核酸等成分组成,牢固附着并包裹细菌,阻碍抗生素和免疫细胞作用。生物膜中的细菌多处于低代谢或休眠状态,对抗生素耐受性可达游离细菌的1000倍,导致感染迁延和复发。针对这一临床难题,本研究旨在构建一种可靶向感染灶、主动穿透生物膜并在局部实现高效杀菌的新型超声响应纳米材料,以期为IAI治疗提供新策略。

方法
        研究首先通过溶剂热法合成Zr-TCPP纳米颗粒,并利用物理吸附负载APT适配体,再将其包埋于GelMA水凝胶中,制备Zr-TCPP@Apt@GM微球。利用TEM、DLS及紫外-可见光谱对材料进行形貌和理化性质表征,并检测其在超声条件下(1 MHz,0–2 W/cm²)的ROS释放能力。体外实验通过与耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)共培养,结合活/死染色、菌落计数及SEM观察,评估杀菌及生物膜破坏效果;并与骨髓间充质干细胞(BMSCs)共培养,采用ALP、茜素红染色和qPCR分析成骨潜能。体内实验采用MRSA感染性骨髓炎大鼠模型,将微球注入病灶并给予超声处理,结合Micro-CT、组织学染色及免疫组化检测,综合评估抗菌与成骨修复效果。

结果
        表征结果显示,Zr-TCPP颗粒呈规则球形、粒径均一(95.3 ± 4.2 nm),适配体负载后光谱出现特征峰,验证了结构构建成功。生物相容性检测显示该材料对细胞无明显毒性。在超声激发下,Zr-TCPP@Apt@GM可产生剂量依赖性的ROS,2 W/cm²条件下ROS生成量最高。体外抗菌实验表明,在超声刺激下,处理组对MRSA杀菌率达97%,细菌存活率低于10 ± 3%,且可显著破坏生物膜结构。成骨实验中,该材料能促进BMSCs成骨分化,ALP活性、茜素红染色及成骨基因表达均明显增强。体内实验进一步证实,Micro-CT结果显示处理组BV/TV、Tb.N、Tb.Th等指标显著升高;组织学染色显示新生骨明显增加;免疫组化表明炎症因子TNF-α和IL-1β显著下调,提示其具有抗炎与促骨双重作用。

结论
        本研究成功构建了一种新型超声响应纳米治疗平台Zr-TCPP@Apt@GM,兼具优良的理化特性和生物相容性。在超声刺激下,该平台可高效释放ROS,实现对耐药菌MRSA的显著杀灭并破坏生物膜;同时促进骨髓间充质干细胞成骨分化与新骨形成。在感染性骨髓炎动物模型中,该材料联合超声治疗可有效抑制炎症、促进骨修复,展现出优异的协同抗菌与促骨能力,为植入物相关感染的治疗提供了新的思路和理论依据。