程序化輸送成骨肽和溶菌酶的自適應(yīng)抗菌支架用于感染性骨缺損治療詳解

文獻(xiàn)信息

近日，四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院口腔疾病國(guó)家臨床研究中心，口腔疾病研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)合作的研究成果“Self-Adaptive Antibacterial Scaffold with Programmed Delivery of Osteogenic Peptide and Lysozyme for Infected Bone Defect Treatment(程序化輸送成骨肽和溶菌酶的自適應(yīng)抗菌支架用于感染性骨缺損治療)在雜志ACS Applied Materials & Interfaces(IF:10.383)上發(fā)表。平生公司的桌面型離體Micro CT(VENUS)在論文中提供了重要的大鼠顱骨圖像和定量分析。
 

該研究的通訊作者李建樹(shù)教授和袁泉教授，第一作者為申璐璇和曹叔琴。
 

文獻(xiàn)摘要

疾病或外傷引起的骨缺損常伴有感染，嚴(yán)重破壞缺損部位骨組織的正常功能。能夠同時(shí)減少炎癥和促進(jìn)成骨的生物材料是解決這一問(wèn)題的有效工具。在本研究中，作者建立了基于殼聚糖支架的程序化傳遞平臺(tái)，以增強(qiáng)其成骨活性并預(yù)防植入物相關(guān)感染。簡(jiǎn)而言之，成骨肽序列(YGFGG)被修飾到豇豆綠斑病毒(CCMV)表面，形成CCMV-YGFGG納米顆粒。CCMV-YGFGG具有良好的生物相容性和體外成骨能力。然后，將CCMVYGFGG和溶菌酶加載在殼聚糖支架上，顯示出良好的抗菌效果，促進(jìn)骨再生，用于感染骨缺損的治療。作為釋放平臺(tái)，該支架可階段性釋放溶菌酶和CCMV-YGFGG，促進(jìn)感染骨缺損的再生。作者的研究為感染性骨缺損的治療提供了一種新的和有前景的策略。

實(shí)驗(yàn)方法

體內(nèi)抗菌實(shí)驗(yàn)

第二次手術(shù)后4天，從缺損處取2×1mm²面積的肉芽組織進(jìn)行微生物檢查。樣品在10mL無(wú)菌生理鹽水中均質(zhì)5分鐘。然后，將100μL溶液接種在瓊脂板上，在37°C生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24小時(shí)，進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)。從各組另一缺陷處1×1mm²的肌節(jié)組織中提取RNA�？俁NA用TRIzol試劑提取。如前所述，進(jìn)行定量RT-PCR。為每個(gè)靶基因設(shè)計(jì)的引物列在表S2中。

體內(nèi)骨再生

8周后收集顱骨，從顱骨上剝離顱帽，用4%多聚甲醛固定。微計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT;4周后行Venus Micro-CT (VNC-102, China)對(duì)重建顱骨形態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。分辨率設(shè)置為20μm。三維(3D)圖像從整個(gè)和縱剖面獲得。形態(tài)計(jì)量學(xué)數(shù)據(jù)，包括骨密度(BMD)、新生兒骨體積(BV)、骨體積/總體積(BV/TV)、骨表面積/骨體積(BS/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)，使用制造商提供的軟件進(jìn)行分析和比較，以評(píng)估不同組之間的成骨變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

體內(nèi)抗感染實(shí)驗(yàn)

Micro-CT圖像(圖5B)顯示感染骨缺損邊緣不規(guī)則，缺損周圍有一些空化，如骨侵蝕。相比之下，未植入MRSA的骨缺損具有規(guī)則的形狀和光滑的表面，這些結(jié)果表明作者成功地建立了感染性顱骨缺損模型。

Figure 5.大鼠感染性顱骨缺損的產(chǎn)生和體內(nèi)評(píng)估。B)細(xì)菌植入1周后感染和未感染骨缺損的Micro-CT圖像

體內(nèi)骨再生

采用3D Micro-CT重建分析對(duì)骨再生的影響，如圖6A所示。8周后，空白組和殼聚糖支架單獨(dú)植入組均未發(fā)現(xiàn)明顯的新骨，說(shuō)明自體骨無(wú)法修復(fù)感染骨缺損，需要外部干預(yù)促進(jìn)骨組織再生。正如預(yù)期的那樣，在提供抗菌環(huán)境的條件下，貢獻(xiàn)骨具有更好的效果。溶菌酶抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，為成骨提供適宜的環(huán)境。更重要的是，CCMV修飾的成骨肽具有更好的、更持久的調(diào)節(jié)骨再生的能力只有成骨肽。CS-CCMV-YGFGG組骨再生明顯低于CSCCMV-YGFGG&LZM組�；�于顯微CT圖像，用骨體積(BV)、骨體積/組織體積(BV/TV)和骨密度(BMD)三個(gè)指標(biāo)量化骨再生效果。如圖6B所示，CS-CCMV-YGFGG&LZM組植入8周后BV/TV值為45.42，是CS-LZM組的3.05倍，是CS-CCMV-YGFGG組的1.81倍。在骨容量分析中也觀察到類似的差異(圖6C)。CS-CCMV-YGFGG&LZM組的BMD值為1.37 g/cm3，約為CS-LZM組的1.15倍，為CS-CCMV-YGFGG組的1.08倍(圖6D)。

圖6  植入8周后的體內(nèi)成骨評(píng)估。(A)術(shù)后8周通過(guò)三維顯微ct圖像重建評(píng)估感染顱骨缺損礦化。通過(guò)分析(B)骨體積與總組織體積(BV/TV)的比較，定量評(píng)估各組的新骨形成情況。(C)骨體積，(D)骨密度(BMD)

文獻(xiàn)結(jié)論

單獨(dú)使用成骨肽可能會(huì)導(dǎo)致其不穩(wěn)定，降低其利用率。在本研究中，作者使用CCMV修飾的成骨肽序列來(lái)增強(qiáng)肽的穩(wěn)定性，從而提高其成骨效率。該肽也可以調(diào)節(jié)體外成骨活性。將溶菌酶裝入殼聚糖海綿中，在體外抗菌效果良好。在作者的研究中，作者將這兩種生物活性材料裝入殼聚糖海綿中，并將其應(yīng)用于MRSA誘導(dǎo)的大鼠骨缺損感染的治療。在殼聚糖海綿中加載這兩種生物活性物質(zhì)，表現(xiàn)良好感染性骨缺損治療的抗菌作用及促進(jìn)骨再生。作為釋放平臺(tái)，該支架可階段性釋放溶菌酶和CCMV-YGFGG，促進(jìn)感染骨缺損的再生。本研究為生物活性和骨科生物材料的發(fā)展提供了新的方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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）