Science Advances ：多单位合作开发新的植入物，加速骨愈合及减少细菌感染
2020-11-15 枫叶 iNature
植入物相关的感染和成骨活性不足会导致植入物失效或延迟患者的康复。随之而来的经济负担和身体痛苦变得不可避免。但是，由于过度使用或滥用抗生素，耐多药细菌感染的发生率不断上升，严重威胁着人类健康。
植入物相关的感染和成骨活性不足会导致植入物失效或延迟患者的康复。随之而来的经济负担和身体痛苦变得不可避免。但是，由于过度使用或滥用抗生素，耐多药细菌感染的发生率不断上升，严重威胁着人类健康。现有的抗生素不能治疗所有与超级细菌相关的感染已经成为一个非常严重的问题。骨植入物对预防与多药耐药细菌有关的感染并同时改善骨整合的需求很大。
天津大学吴水林及湖北大学刘想梅（湖北大学为第一单位）共同通讯在Science Advances 在线发表题为“Engineered probiotics biofilm enhances osseointegration via immunoregulation and anti-infection”的研究论文，该研究开发了一种食品级益生菌修饰的植入物，以防止耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）感染并加速骨骼整合。
干酪乳杆菌培养于经碱热处理的钛（Ti）基质表面上，并通过紫外线照射使其灭活，从而避免了活菌引起的败血症。由于乳酸和细菌素的产生，这种灭活的干酪乳杆菌生物膜对MRSA表现出极好的99.98％的抗菌效果。另外，干酪乳杆菌生物膜中的多糖刺激巨噬细胞分泌大量成骨细胞因子，例如制瘤素M，并改善Ti植入物的骨整合。灭活的益生菌修饰可以成为赋予植入物优异的自我抗菌活性和骨整合能力的有前途的策略。
植入物相关的感染和成骨活性不足会导致植入物失效或延迟患者的康复。随之而来的经济负担和身体痛苦变得不可避免。特别是由于骨质疏松，老年人骨折的发生率很高。老年患者在接受骨折手术后，由于愈合延迟和卧床休息时间过长，经常患有心血管疾病，如血栓形成和随后的心肌梗塞，这增加了老年患者的死亡率。另外，为了防止细菌感染，患者通常在整形外科手术后接受全身抗生素治疗。但是，由于过度使用或滥用抗生素，耐多药细菌感染的发生率不断上升，严重威胁着人类健康。现有的抗生素不能治疗所有与超级细菌相关的感染已经成为一个非常严重的问题。
因此，理想的植入物应具有理想的生物功能，以加速骨骼组织的再生并同时预防耐药细菌的感染。为了解决这个问题，尝试了多种策略将抗菌和成骨特性整合到植入物中。当前的策略采用精心制作的工艺或使用具有潜在组织毒性的重金属，这可能会阻碍其临床潜力。因此，迫切需要开发一种简单安全的策略来防止细菌感染并改善组织再生。
微生物介导的治疗引起了对各种疾病的广泛关注。对于癌症治疗，沙门氏菌，大肠埃希氏菌和李斯特菌等细菌对肿瘤组织的低氧微环境具有靶向能力。可以对非致病性细菌进行基因编程或与纳米材料组合以抑制肿瘤生长。益生菌在肠道微生物组中起着重要作用，可以维持肠道健康。益生菌作为非致病性生物，由于其具有消除病原细菌和调节宿主免疫系统的能力，因此被广泛用于许多消化系统疾病，例如炎症性肠病，肠易激综合症和感染性腹泻。
众所周知，干酪乳杆菌由于产生细菌素，乳酸和过氧化氢而对包括耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）在内的病原菌显示出优异的抗菌性能。但是，考虑到败血症的潜在风险，其在预防MRSA植入相关感染中的用途仍未得到充分研究。
而且，益生菌的细胞壁含有诸如肽聚糖，脂蛋白酸和某些特定蛋白质等成分，它们在调节人体免疫系统中起着重要作用。众所周知，生物材料的植入会产生初始的炎症反应。在异物反应期间，宿主巨噬细胞大量积累在植入物的表面。巨噬细胞的活性在调节炎症和再生之间的平衡中起关键作用。可以刺激巨噬细胞产生成骨因子，以加速与植入物的骨整合。众所周知，细菌生物膜主要由细菌和周围的细胞外聚合物（EPS）基质组成，并且干酪乳杆菌的EPS（多糖，蛋白质和核酸）和细胞壁均含有多糖 。因此，干酪乳杆菌生物膜的暴露的多糖可以容易地刺激遇到干酪乳杆菌的巨噬细胞。
在这里，开发了一种食品级益生菌修饰的植入物，以防止耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）感染并加速骨骼整合。干酪乳杆菌培养于经碱热处理的钛（Ti）基质表面上，并通过紫外线照射使其灭活，从而避免了活菌引起的败血症。由于乳酸和细菌素的产生，这种灭活的干酪乳杆菌生物膜对MRSA表现出极好的99.98％的抗菌效果。另外，干酪乳杆菌生物膜中的多糖刺激巨噬细胞分泌大量成骨细胞因子，例如制瘤素M，并改善Ti植入物的骨整合。灭活的益生菌修饰可以成为赋予植入物优异的自我抗菌活性和骨整合能力的有前途的策略。
原始出处：
Lei Tan,Jieni Fu, Fan Feng, et al.Engineered probiotics biofilm enhances osseointegration via immunoregulation and anti-infection.Science Advances 13 Nov 2020:Vol. 6, no. 46, eaba5723DOI: 10.1126/sciadv.aba5723
作者：枫叶
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