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四川大學(xué)梁坤能、鄧怡 Nano Today:葡萄糖門控的聚醚醚酮植入體用于“酶促氣體療法”促進(jìn)糖尿病感染的骨結(jié)合
2024-11-06  來源:高分子科技

  糖尿病是一種全球廣泛發(fā)生的內(nèi)分泌疾病,到2045年全球預(yù)計(jì)將有6.93億人受到糖尿病的影響。對于糖尿病患者來說,骨骼并發(fā)癥和感染問題尤為嚴(yán)重。高血糖環(huán)境會加速成骨細(xì)胞的凋亡,抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化。同時(shí),細(xì)菌在高糖環(huán)境下容易快速繁殖,使得糖尿病患者更容易發(fā)生嚴(yán)重感染并且遷延不愈。這些因素都嚴(yán)重影響了植入體周圍骨組織的愈合,不僅嚴(yán)重增加了患者的痛苦,還增加了醫(yī)療負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)的抗感染策略主要依賴抗生素,但長期使用會加速耐藥菌的產(chǎn)生。而氣體療法作為一種新興的"綠色"治療策略,因其具有很小的副作用而受到越來越多的關(guān)注。雖然一氧化碳(CO)被常報(bào)道用于氣體治療,但其按需釋放仍難以實(shí)現(xiàn),抗菌機(jī)制仍不明確;诖,該研究首次提出了一種葡萄糖門控的“酶促氣體療法”策略用于治療糖尿病感染性骨缺損。


  在本項(xiàng)研究中,四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院梁坤能副教授聯(lián)合四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院鄧怡研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高分子醫(yī)用植入材料,它包含聚醚醚酮PEEK、葡萄糖氧化酶GOx和羰基錳MnCO,可以通過“酶促氣體療法”來增強(qiáng)糖尿病感染狀態(tài)下的骨結(jié)合(圖1)。通過對PEEK材料磺化后,使用聚多巴胺(PDA)進(jìn)行表面修飾;GOx作為葡萄糖響應(yīng)門控,可以響應(yīng)高血糖環(huán)境從而分解葡萄糖并釋放過氧化氫;通過MnCO的類芬頓反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)CO氣體和錳離子的原位釋放。


圖1:植入體材料的制備流程及其作用機(jī)制示意圖。


圖2:材料表征結(jié)果。


  研究團(tuán)隊(duì)采用掃描電鏡和元素分析等方法證實(shí)了各個(gè)組分的成功負(fù)載。接觸角測試表明,隨著有機(jī)化合物的添加,植入體表面的接觸角逐漸減小,良好的親水性有利于細(xì)胞粘附和骨結(jié)合(圖2。


3:植入體材料體外抗菌性能


4:植入體材料抗菌機(jī)制研究


  體外實(shí)驗(yàn)證明材料對浮游細(xì)菌和生物膜均有具有良好的抗菌效果。深入探究了材料的抗菌機(jī)制發(fā)現(xiàn),一氧化碳能夠與細(xì)菌呼吸鏈中的細(xì)胞色素bo3特異性結(jié)合。轉(zhuǎn)錄組分析顯示,這種結(jié)合顯著影響了細(xì)菌的能量代謝,導(dǎo)致氧化磷酸化和三羧酸循環(huán)等關(guān)鍵代謝通路的下調(diào)。同時(shí),通過膜電位、脂質(zhì)過氧化和ATP水平的檢測,證實(shí)了一氧化碳通過干擾呼吸鏈影響細(xì)菌代謝的作用機(jī)制(圖3、圖4)。


5:植入體的體內(nèi)抗菌抗炎效果評價(jià)


  植入體材料在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的抗菌能力。通過菌落計(jì)數(shù)和活體熒光成像等方法,證實(shí)了其在體內(nèi)的抗菌效果。通過炎癥因子的免疫熒光染色發(fā)現(xiàn),該材料能夠有效調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的極化,降低炎癥反應(yīng),從而為骨結(jié)合創(chuàng)造有利的微環(huán)境(圖5)。


6:植入體促進(jìn)骨結(jié)合的組織病理學(xué)分析


  最后,通過建立大鼠糖尿病感染性骨缺損模型,對材料促進(jìn)骨結(jié)合能力進(jìn)行評價(jià)。免疫熒光和免疫組化染色顯示,Runx2、OCNOPN等成骨標(biāo)志物的表達(dá)顯著上調(diào)。這些結(jié)果充分證實(shí)了這種植入體在治療糖尿病感染性骨缺損方面的巨大潛力(圖6)。


  該工作以題目為"Glucose-gated Nanocoating Endowing Polyetheretherketone Implants for Enzymatic Gas Therapy to Boost Infectious Diabetic Osseointegration"發(fā)表于Nano Today。文章第一作者為四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院碩士研究生李家赫和華西口腔醫(yī)院東區(qū)門診部范夢琳博士,通訊作者為四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院梁坤能副教授和四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院鄧怡研究員。特別感謝四川大學(xué)華西口腔醫(yī)學(xué)院李繼遙教授和程磊教授的指導(dǎo)。本工作得到了國家自然科學(xué)基金、四川省科技廳項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金、四川大學(xué)研究項(xiàng)目和華西口腔醫(yī)院項(xiàng)目的資金支持。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102541

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