水凝胶——微环境增强的超分子水凝胶逆转骨感染中的多重困境

  随着骨髓炎发生率的增加以及抗生素滥用导致耐药性细菌的出现，传统治疗面临巨大挑战。细菌增殖和细胞内感染通过形成生物膜，导致反复和长期的感染。同时，细菌感染引发的免疫反应破坏了骨骼的新陈代谢平衡，导致炎症性骨吸收。在此，开发了一种具有多重抗菌能力和骨代谢调节作用的铈-阿伦膦酸盐超分子水凝胶（CAG），旨在解决骨髓炎的多方面挑战。CAG水凝胶具有可注射和自愈的特点，在反应性氧种（ROS）微环境下表现出对金黄色葡萄球菌（S.A）和大肠杆菌（EcN）的显著抗菌活性，有效破坏生物膜并消除细胞内感染。CAG中的Ce离子通过破坏细菌膜和干扰细菌膜电位，抑制细菌的能量产生。此外，CAG成功逆转了内毒素引起的凋亡和成骨细胞的异常分化。RNA测序结果显示，CAG通过促进钙离子流入，调节钙信号通路和TGFβ通路，上调与Bmp2/Smad5通路相关蛋白的表达，从而促进成骨分化。在体内实验中，CAG成功治疗了由金黄色葡萄球菌引起的骨髓炎，并在7天和28天的骨髓炎小鼠模型中改善了骨组织生成。总体而言，本研究提出了一种综合疗法，旨在针对整个阶段的细菌感染并恢复骨代谢平衡，提供了一种创新的骨感染治疗方法。

创新点：

1. 本研究开发了一种铈-阿伦膦酸盐超分子水凝胶（CAG），该水凝胶不仅具有抗细菌功能，还能通过反应性氧种（ROS）微环境增强其抗菌效果，并有效对抗金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等常见致病菌。

2. CAG水凝胶通过增强ROS微环境，在细菌感染区域有效破坏细菌生物膜，并清除细胞内的细菌，从而提高抗感染效果。

3. CAG不仅能抗菌，还能通过促进成骨分化来调节骨代谢。

4. CAG具有自愈和可注射的特性，能够在受感染的骨部位形成有效的局部治疗，提升其在临床应用中的便利性和效果。

5. 本研究提出了一种综合治疗策略，不仅针对骨感染的整个过程，而且通过恢复骨代谢平衡，为骨髓炎和其他骨感染提供了一种新的治疗思路。

 对科研工作的启发：

1. 本研究突出了水凝胶在特定微环境下（如ROS微环境）发挥增强效果的潜力。

2. 开发具有多重功能的水凝胶，尤其是在抗菌、促进骨代谢、抗炎等方面的综合效果，可以为骨感染及其他慢性疾病的治疗提供更有效的策略。

3. 通过RNA测序分析，揭示了水凝胶在促进成骨分化中的分子机制。

4. 本研究通过结合细菌生物膜的破坏和内毒素的逆转，提出了一种针对骨髓炎治疗的双重机制，为其他类型的感染治疗提供了借鉴。

思路延伸：

1. 可以结合更多的生物材料，设计新型水凝胶，不仅针对骨感染，还可以用于软组织感染或其他病理状态下的治疗，探索其在临床中的广泛应用。

2. 未来可以将水凝胶与药物递送系统结合，例如将抗生素或成骨促进因子加载到水凝胶中，进一步提高其治疗效果，增强抗感染和促进骨愈合的双重作用。

3. 本研究提出的水凝胶可以进一步通过动物实验或临床试验验证其效果，探索其在临床治疗中的可行性，尤其是在处理耐药性细菌和慢性骨感染中的潜力。

4. 基于病理类型（如感染类型、免疫状态等）的不同，设计个性化的水凝胶治疗方案，以实现最佳的治疗效果，适应不同患者的需求。

来源：

Mater. Today
Pub Date  : 2024-11-28
DOI : 10.1016/j.mattod.2024.11.007

Zhihui Han, Shunyi Lu, Jie Cao, Shumin Sun, Nailin Yang, Shuning Cheng, Xuan Huang, Jie Wu, Jingrui Li, Liang Cheng