《AS》浙江大学徐峰团队研发水凝胶治疗创伤后骨髓炎，有效抑制炎症反应，具备临床转化潜力

浙大人物

徐峰 浙江大学医学院感染科副主任

浙江大学教授，主任医师，博导，浙江大学医学院附属第二医院感染性疾病科科室副主任（主持工作），从事感染性疾病科与呼吸内科临床与教学工作20多年，具有丰富的临床经验。长期致力于感染性疾病的发病机制和防治研究。

因超级细菌、炎症微环境和生物膜的出现，开发创伤后骨髓炎（PTO）的非抗生素治疗策略尤为重要。越来越多的证据表明，群体感应（QS）是细菌细胞之间的化学通信信号，可以在进化压力下加速耐药性。

2024年3月14日，浙江大学徐峰团队在《Advanced Science》在线发表题为“Inflammatory Microenvironment-Responsive Hydrogels Enclosed with Quorum Sensing Inhibitor for Treating Post-Traumatic Osteomyelitis”的研究论文，该研究旨在通过N1-(4-硼苯甲酰基)-N3-(4-硼苯甲酰基)-N1、N1、N3-四甲基丙烷-1,3-二胺（TSPBA）和聚乙烯醇（PVA）之间的活性氧（ROS）响应键，以及超支化聚赖氨酸（HBPL）的氨基侧链，通过抑制QS和调节炎症微环境（包括严重氧化应激和酸性脓肿）来开发一种治疗PTO的医用敷料，随后，其负载的QS抑制剂发挥抗菌作用。

该水凝胶可以清除过氧化氢（H2O2）、超氧阴离子自由基（·O2−）、羟基自由基（·OH）和2,2-二(4-叔辛基苯基)-1-三硝基肼（DPPH）减少氧化应激，抑制“细菌间通讯”，从而清除浮游细菌和生物膜，加速细菌质壁分离，降低细菌毒性并干扰膜转运。水凝胶体内治疗后几乎清除了所有细菌，有效抑制炎症反应，并促进成骨和骨修复，有助于PTO的恢复。该研究证明了水凝胶在治疗耐药细菌诱导的PTO方面的临床转化潜力。

骨髓炎给医疗保健和经济带来了巨大的负担，发病率稳步上升。尤其是创伤后骨髓炎（PTO），通常继发于严重的长骨开放性骨折、骨手术和移植物感染。目前，手术和抗生素是PTO的主要治疗方法。然而，传统的治疗方案仍无法满足临床需求。由于PTO中血流不畅，细菌可以以浮游形式粘附在组织表面，然后被包裹在自身分泌的粘液基质中形成生物膜。此时，死骨容易阻碍药物渗透。因此，需要高剂量的抗生素才能在病变部位达到最低抗菌浓度，导致多种副作用甚至耐药性的演变。甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌（MRSA）是PTO治疗期间最常见的超级细菌。MRSA倾向于形成酸性脓肿，使骨髓腔处于pH值约为5.5-6.5的微环境中。此时，中性粒细胞的大量聚集形成阻碍宿主免疫细胞杀死细菌的屏障。

一般来说，生物膜的形成和耐药性的基因组进化可能与群体感应（QS）和代谢系统有关，群体行为和代谢通过细胞间化学通讯进行协调。在生存和繁殖的过程中，细菌已经进化出这一独特的策略来适应周围的环境。当微生物种群密度增加时，细菌细胞向环境中分泌化学信号。在足够的浓度下，信号分子通过信号转导改变特定基因的表达，以调节微生物群体的特征。细菌可以通过QS系统的“团队作战能力”更好地协调和生存，实现“细胞间通信”。超支化聚赖氨酸（HBPL）可以干扰QS系统，有效破坏生物膜以治疗感染。

作为抗生素的抗菌替代品，HBPL具有阳离子聚合物的功能，能够通过静电作用杀死浮游细菌。此外，同时具备ε-聚-L-赖氨酸（ε-PL）和α-聚-L-赖氨酸（PLL）结构使HBPL能够发挥抗菌和细胞粘附作用。然而，HBPL极易失活并受到水解、氧化、光解和蛋白酶活性等环境变化的影响，且临床转化和治疗效果受到其高毒性和高成本的限制。此外，由于骨骼的复杂解剖结构，在PTO患者中更难实现有效治疗。因此，提高HBPL稳定性和药物利用率至关重要。多个研究尝试改变HBPL的电荷和氨基酸，并建立药物递送和持续释放系统（如各种响应性纳米材料），以最大限度地发挥其功效。

HBPL凝胶介导的PTO抗菌活性和治疗效果示意图（摘自Advanced Science ）

近年来，温度响应型、pH响应型和光敏型等智能环境响应型水凝胶的设计受到了广泛关注。水凝胶的形成可以通过某些响应分子的刺激来触发，基于溶解度差异、物理封装和化学键合持续缓慢地释放负载药物。由于具有特定的细菌特性，PTO病变周围的炎症微环境通常以过度氧化应激和酸性物质的积累为特征，为响应性水凝胶的设计提供了潜在靶点。为调节环境pH值、清除活性氧（ROS），通常在水凝胶中设计化学敏感键。ROS的响应载体包括草酸盐聚合物、硒聚合物和硫聚合物，而pH值的响应载体包括腙和芳基肼键。苯硼酸酯键的ROS响应作用已在恶性肿瘤和心血管疾病领域得到深入研究。抗菌研究中，基于苯硼酸酯键的水凝胶在慢性伤口愈合中显示出优异的抗菌和抗氧化特性，已有研究成功合成了基于苯硼酸修饰的透明质酸和聚乙烯醇（PVA）的可注射水凝胶。此外，HBPL的侧链含有大量的氨基，能够响应pH酸性特征。

该研究以PVA为基础，设计了一种针对炎症微环境的严重氧化应激和酸性脓肿的ROS响应性水凝胶。水凝胶物理封装了可以杀死浮游细菌的非耐药性抗菌肽，能够抑制QS系统，破坏生物膜并消除粘附的细菌菌落。此外，HBPL中的ε-PL和PLL能够促进细胞附着、增殖和分化。通过调节药物的释放，显示出有效的抗菌和骨修复效果。该研究创造性地提出了一种阻断QS治疗耐药菌引起的难治性PTO的新方法，为清除影响骨髓炎愈合的生物膜和浮游耐药细菌提供了新策略。

来源：浙大科技园嘉兴