第一作者：Mengke Fan、Youliang Ren 、Yanbin Zhu
通讯作者：潘浩波，崔旭，陈伟
通讯单位：中国科学院深圳先进技术研究院，河北医科大学第三医院
研究速览
骨感染是临床骨科的一场灾难。尽管是骨髓炎的标准疗法，但负载抗生素的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）水泥对生物膜中的细菌效率低。此外，高剂量抗生素负载植入物存在细菌耐药性、组织毒性和局部组织愈合受损的风险。通过将硼硅酸盐生物活性玻璃（BSG）掺入低剂量硫酸庆大霉素（GS）负载的PMMA水泥中，设计了一种协同根除细菌并依次促进骨结合的智能策略。结果表明，BSG并没有损害水泥的处理性能，而是实际上赋予了其离子和碱性微环境，从而破坏了细菌细胞壁和膜的完整性，通过破坏细胞膜中的呼吸链和糖原代谢来抑制ATP合成，并通过削弱抗氧化成分（过氧化物酶体和类胡萝卜素）来提高活性氧（ROS）水平。BSG的这些抗菌特性协同增强了GS的有效性，其有效性远低于实际临床剂量，通过 与核糖体的30S亚基结合实现有效的细菌杀灭和生物膜清除。此外，植入物释放的GS和离子和碱性微环境在体外促进了hBMSCs的成骨活性，并在体内协调增强了骨整合。总的来说，这项研究强调BSG掺入为减少抗生素剂量提供了一种有前途的策略，同时增强植入物的抗菌活性和成骨作用。这种方法有可能解决细菌耐药性和骨骼感染之间的冲突。
要点分析
要点一：生物活性抗菌PMMA水泥的体外抗菌性能。具有生物活性的抗菌PMMA水泥是一种广谱杀菌剂，对很多菌株的抑制效果最明显。B/G/PMMA能有效抑制金黄色葡萄球菌，破坏细胞壁和细胞膜，并破坏生物膜的形成。
要点二：生物活性抗菌PMMA水泥的抗菌机理。具有促进膜通透性和增强生物膜的根除的性能，干扰膜转运蛋白复合物，并且对ATP合成的抑制作用最为显著和对细菌造成了显著的氧化应激损伤。
要点三：体内评价抗菌活性。纯PMMA水泥在体内不具有抗菌活性，B/G/PMMA组细菌菌落最少。B/G/PMMA组股骨髓腔未见炎症细胞浸润，也未见革兰氏阳性金黄色葡萄球菌。
要点四：骨水泥的生物相容性。主要器官没有明显损害。PMMA水泥中掺入BSG和最低浓度的GS不会诱导体内组织或器官毒性。
图文导读
图1：生物活性抗菌PMMA水泥的制备、应用及抗菌机理。(a)硼硅酸盐生物活性玻璃和生物活性水泥的制备。能谱图（EDS）显示了BSG在PMMA衬底内的均匀分布。(b)将骨水泥植入受感染的股骨髓腔后，有一个从对抗感染到促进骨形成的短暂过渡。(c)生物活性抗菌PMMA水泥的抗菌机制：该图说明了BSG降解产生的离子和碱性微环境如何破坏细菌细胞壁和细胞膜，导致细胞内ATP合成抑制和ROS积累，最终导致细菌被消灭。(d)生物活性抗菌PMMA水泥的成骨作用：本节展示了生物活性抗菌PMMA水泥如何促进种植体部位周围的成骨和骨形成。
图2：生物活性抗菌PMMA水泥的制备与表征。(a) BSG颗粒的扫描电镜（SEM）图像(白色比例尺=5 μm；黑色比例尺=2 μm)。(b) B/G/PMMA水泥的形貌截面(白色标尺=50 μm；黑色比例尺=20 μm)和(c) B/G/PMMA水泥的元素能量色散X射线能谱（EDS）图（比例尺=100 μm）。(d)水泥的加工时间。(e)预固化水泥抗压强度和(f)四点抗弯强度。水泥浸入PBS后抗压强度(g)和四点抗弯强度(h)的变化。(i) pH值，(j) BO3-3的累积释放量，(k) Ca2 +的累积释放量，(l) PBS中水泥的硫酸庆大霉素（GS）的累积释放量。数据以均数±SD表示。误差条表示标准差（n=3）。P值采用单因素方差分析，采用Tukey事后检验和Student’s检验；nsP>0.05，*P<0.05。
图3：生物活性抗菌PMMA水泥对金黄色葡萄球菌抑菌能力的体外评价。(a)金黄色葡萄球菌菌落形成的光学图像和(b)菌落形成的定量分析。(c)用Alamar Blue试剂检测金黄色葡萄球菌在水泥样品表面培养6 h后的活性(激发波长：560 nm；发射波长：590nm)。(d)水泥样品表面培养6h后金黄色葡萄球菌的活/死染色（比尺=75 μm）和(e)形态学（比尺=2 μm）。数据以均数±SD表示。误差条表示标准差（n=3）。P值通过单向方差分析计算，采用Tukey事后检验和Student`t检验；nsP>0.05，*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001。 
图4：用水泥培养金黄色葡萄球菌的转录组学分析。火山图显示了PMMA组与B/PMMA组之间的基因表达差异(a)，以及B/PMMA组与B/G/PMMA组之间的基因表达差异(b)。(c)差异表达基因的维恩图。(d)通过基因集富集分析（Gene Set Enrichment Analysis， GSEA）分析PMMA和B/PMMA组间金黄色葡萄球菌的跨膜转运、离子转运、膜整体组分和跨膜转运蛋白活性。(e) PMMA组和B/PMMA组金黄色葡萄球菌上调基因和下调基因，采用京都基因与基因组百科全书（KEGG）分析。(g) B/PMMA组和B/G/PMMA组金黄色葡萄球菌上调基因和下调基因的比较，采用KEGG分析。（i-k）蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络图显示的生物过程之间的联系。
图5：生物活性抗菌PMMA水泥的抗菌机理。(a)群体间途径变化。通过蛋白质浓度测试(b)和邻硝基苯β-D-半乳糖苷（ONPG）测试(c)检测细菌膜的通透性。(d)生物膜的结晶紫染色和(e)在562 nm处的定量分析。(f) 595 nm下ATP定量分析。(g) 2,7-二氯双乙酸荧光素（DCFH-DA）检测的活性氧（ROS）水平和(h)定量分析，激发波长为480 nm，发射波长为525 nm，比尺=50 μm。数据以均数±SD表示。误差条表示标准差。P值采用单因素方差分析，采用Tukey事后检验和Student’s t检验。n=3，nsP>0.05，*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001。 
图6：骨水泥培养hBMSCs成骨分化的体外评价。(a)共培养1天、3天和5天后hBMSCs的细胞毒性和增殖情况。(b)共培养24 h后hBMSCs的活/死（比尺=200 μm）和细胞骨架染色（比尺=50 μm）。(c)共培养模式示意图。(d) hBMSCs碱性磷酸酶（ALP）染色，标尺=50 μm。(e)培养7天后细胞培养基中ALP的定量分析。(f)共培养14天后hBMSCs的Alizarin Red S（ARS）染色，标尺=50 μm。(g) hBMSCs的ARS染色定量分析。(h)共培养7天后hBMSCs的碱性磷酸酶（ALP）和(i)矮子相关转录因子2（RUNX2）基因表达情况。(j)共培养14天后hBMSCs的骨钙素（OCN）和骨桥蛋白（OPN）基因表达。(l) hBMSCs共培养7天和14天后RUNX2和OCN蛋白的分泌情况。数据以均值±标准差表示。误差条表示标准差。P值采用单因素方差分析，采用Tukey事后检验和Student’s检验。n=3，nsP>0.05，*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001。 
图7：水泥抗菌活性的体内评价。(a)体内实验设计示意图。(b)植入术后1周琼脂平板法菌落形成情况。(c)琼脂平板法定量分析菌落形成情况。(d)采用细菌培养法（OD = 600 nm）评价植入术后1周抗菌效果。(e)植入骨水泥1周和植入手术2周后金黄色葡萄球菌感染大鼠股骨局灶性病变的X线片。(f)放射学评分直方图。(g)植入术后2周的苏木精-伊红（H&E）染色，(h)革兰氏染色，(i) Masson染色。整体比例尺=500 μm，骨水泥界面比例尺=200 μm。数据以均值±标准差表示。误差条表示标准差。P值采用单因素方差分析，采用Tukey事后检验和Student’s检验。n=4，nsP>0.05，*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001。
图8：骨水泥抗菌能力和骨整合的体内评价。(a)骨水泥植入8周后大鼠股骨矢状面和三维重建图像。(b)植入手术后8周进行骨参数分析，包括骨体积/总积（BV/TV）、骨小梁厚度(Tb，Th)，小梁数（Tb，N)、(c) H&E染色、(d)革兰氏染色、(e) Masson染色于植入术后4周进行。总观比例尺=500 μm；骨水泥界面比例尺=200 μm。数据以均值±标准差表示。误差条表示标准差。P值采用单因素方差分析，采用Tukey事后检验和Student`s检验，n=4，nsP>0.05，*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001。
结论
在这项研究中，将BSG掺入低剂量GS负载的PMMA水泥中，为有效解决细菌感染和促进骨再生提供了一种有希望和实用的策略。BSG的加入不仅保持了PMMA优越的机械特性，而且还引入了有益的特性，如BSG降解产生的碱性和离子微环境。与仅含BSG或GS的PMMA水泥相比，BSG和GS在PMMA水泥中的协同作用显著增强了抗菌效果。从机制上说，BSG的降解破坏了细胞壁和细胞膜的完整性，降低了抗氧化成分（过氧化物酶体和类胡萝卜素）的活性，并阻碍了金黄色葡萄球菌中ATP的合成。此外，低剂量GS在植入物附近的持续释放通过抑制细菌翻译来增强BSG的抗菌作用。此外，BSG和低剂量GS联合使用可促进hBMSCs在体内的存活、粘附、增殖和成骨分化。
利用大鼠股骨骨髓感染模型的研究证据表明，将BSG掺入低剂量GS负载的PMMA水泥中可增强协同抗菌活性并改善骨整合。本研究强调了BSG掺入PMMA水泥作为一种减少抗生素用量同时增强抗菌活性和成骨的实用方法的潜力。这些发现有望在临床上解决细菌抗生素耐药性和治疗各种感染性骨病。
全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X24004535
参考文献: Mengke Fan，Youliang Ren，Yanbin Zhu，Hao Zhang，Shuaijie Li，Chunyu Liu，Hongzhi Lv，Lei Chu，Zhiyong Hou，Yingze Zhang，Haobo Pan，Xu Cui，Wei Chen. Bioactive Materials 44 (2025) 184-204. DOI:10.1016 /j. bioa ctm at. 2024.10.009
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