基于骨靶向纳米材料的抗生素缓释体防治骨内植物术后感染的研究

Postoperative infection is an intractable issue, which should be resolved immediately in orthopeadic clinics. For the exist of implantation and following formation of bacterium biofilm, it is low-efficiency to treat infection with a traditional usage way of antibiotics, and usually, implantations will be get out in a second operation. It’s the key point to limit infection earlier and preserve implantations by improving antibiotic concentration in the bone and enhancing the inhibitory effect on bacterium biofilm formation. Combining antibiotic with biomaterial, then preparing a novel antibiotic-released system is an available way to overcome this problem. With double effects of antibacterial and inhibiting osteoclast formation, enoxacin plays critical roles both in limiting infection and preventing bone loss, and the following implantation loosen when treating bone and joint postoperative infection. For the aim enoxacin will specifically release in the bone, in this research, enoxacin was loaded on mesporous silicon dioxide nano-particles, and bone-specifically recognized group, ASP8 was conjunct on these particles. Our previous research represented that the preparing mesporous nanomaterial had excellent drug loading, releasing and bone-targeting property. Based on the previous results, we planned to conduct a further research about the effect of this released system on antibacterial, inhibiting osteoclastogenesis, preventing and treating bone infection, as well as bone loss in vivo, for the purpose to create a novel approach to treat bone and joint postoperative infection.

内植物术后感染是骨科临床亟待解决的难点问题。因内植物的存在及伴随的细菌生物膜形成，常规途径使用抗生素，治疗效率低下，通常需再次手术。提高抗生素在骨组织内的药物浓度，增强其对细菌生物膜形成的抑制是早期控制感染，保留内植物的关键。将抗生素与生物材料结合制备具有骨靶向功能的抗生素缓释体是解决上述问题的可行方案。依诺沙星具有抗菌及抑制破骨细胞的双重作用功效，在骨关节术后感染的治疗中既能抑制细菌生长，又可防止感染后骨丢失及继发的内植物松动。为使药物在骨内靶向释放，本研究以介孔二氧化硅纳米颗粒为载体负载依诺沙星并于颗粒表面连接特异性骨识别基团——天冬氨酸八肽(ASP8)。前期研究发现：制备的介孔纳米材料对依诺沙星具有良好的负载和缓释性能以及骨靶向特性。在此基础上，我们拟深入研究该药物缓释体的抗菌、抑制破骨细胞及在体内防治感染和感染后骨丢失的作用效果，以期为骨关节术后感染的防治提供新的治疗手段。

内植物术后感染是骨科临床亟待解决的疑难问题。针对该问题，本研究构建了负载依诺沙星的骨靶向介孔二氧化硅纳米缓释体系。研究期间，项目组首先完成了依诺沙星纳米缓释体系的合成，随后对该缓释体系的形貌特征，颗粒直径，孔径大小，药物负载量及缓释时间进行了检测。通过动物活体荧光成像，我们观察到缓释体可在骨组织中高浓度富集，实现了预先构想的骨靶向功能。在体外，我们通过结晶紫染色，菌落计数，电镜扫描及活死细菌染色等技术观察了缓释体系对三种不同的金黄色葡萄球菌的抗菌效应，结果证实：在体外，缓释体浓度达到5μg/ml时即能抑制菌落和细菌生物膜的形成。对于耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌，药物浓度需在10μg/ml以上才能表现出较好的抗菌效果。在体内，项目组构建了大鼠股骨髓内钉植入后的感染模型，给予安慰剂、空载纳米颗粒、依诺沙星以及缓释体治疗四周，分别对取出的髓内钉进行电镜扫描和大鼠股骨进行Micro-CT检测及组织切片，研究发现：与其他各组相比，缓释体治疗后，髓内钉表面生物膜出现裂隙，其内有大量死亡细菌，破骨细胞活化及相伴的骨丢失明显减少。综合上述结果，我们认为本研究合成的依诺沙星缓释体在体外和体内均具备良好的抗菌性能，因骨靶向功能的存在，较之于单纯的依诺沙星在内植物术后感染的治疗中更具优越性。.在完成预定研究计划之余，项目组就骨靶向药物缓释体的构建及抗骨吸收药物的筛选进行了探索性研究。研究发现，新型化合物—双膦酸盐-依诺沙星同样可以实现依诺沙星在骨组织内的靶向释放，从而减少骨量丢失，增加骨组织的生物力学性能。中药单体——白花前胡丙素和香柠檬烯可以阻断RANKL介导的活化信号抑制破骨细胞的形成和骨吸收。本部分研究属于与本项目相关的拓展性研究，旨在探寻新型抗骨吸收及骨靶向治疗药物。