新型固有抗菌和骨诱导性能的非磷脂脂质体的设计、表征及其应用

Reconstruction of large skeletal defects resulting from open fracture and infection requires multiple debridement surgeries and long-term systemic antibiotic treatment. The extensive bone loss in osteomyelitis remains a challenging medical problem that demands simultaneous consideration of both infection control and bone regeneration. Local application of antimicrobial and/or osteoinductive agents is a promising approach for reconstructing the infected defects but the treatment is suboptimal in the absence of appropriate delivery system, increasing the risk of antibiotic resistance and adverse drug toxicity. In our previous research, we have designed and characterized a novel type of non-phospholipid liposomes formulated with single-chain amphiphiles and high content of sterols that presented significantly increased nanoparticle stability compared to conventional phospholipid liposomes. Although these systems are highly attractive for controlled delivery of therapeutic agents, the liposomal biomaterials are not truly bioactive and have no intrinsic therapeutic effects. This study will develop a drug nanocarrier platform that can exert antibacterial activity in the infectious bone site, while concomitantly enhancing osteoblastic metabolism to restore destructive bone. We propose a new sterosome formulation with antibacterial and osteoinductive properties by an effective selection of a single-chain amphiphile (cetylpyridinium chloride, CPC) and sterol (Oxy). This study will provide new ideas for the treatment of bone loos in osteomyelitis.

开放性骨折和感染导致的大型骨缺损的重建，需要多次清创手术和长期全身抗生素的治疗。由骨髓炎导致的广泛的骨丢失治疗仍然是具有挑战性的医学难题，需要同时考虑感染控制和骨再生。局部应用抗生素和骨诱导剂是重建感染骨缺损的有效方法，但是在没有合适的药物递送系统的情况下，这种治疗增加了抗生素耐药性和毒副作用。我们在前期工作中设计表征了新型的非磷脂脂质体，其由单链双亲小分子和高含量的甾醇分子形成，并表现出显著增加的纳米颗粒稳定性。尽管脂质体对于控制递送治疗剂是非常有吸引力的，但是构建脂质体的生物材料不具有真正的生物活性，并且没有固有的治疗效果。本课题将开发一种药物纳米载体，使其可以在感染性的骨骼部位发挥抗菌活性，同时增强成骨细胞代谢以修复骨缺失。我们拟通过有效地选择单链双亲小分子（氯化十六烷基吡啶CPC）和甾醇分子（Oxy），构建具有抗菌和骨诱导性能的新型脂质体。本课题将为感染性骨缺损治疗提供新思路。

开放性骨折和感染导致的骨髓炎通常需要多次清创手术和长期全身抗生素的治疗。然而，这种传统治疗方法不仅有器官毒性、抗生素耐药性等副作用，而且由于根植细菌可以逃脱免疫系统，所以仍有40%的患者有复发和慢性感染的风险。因此，需要同时考虑感染控制和骨再生的骨髓炎治疗仍然是具有挑战性的医学难题。为此，我们根据单链双亲小分子与高含量甾醇分子自组装成双分子层的物理化学理论，成功设计并制备了一种兼具抗菌和骨诱导性能的新型纳米载药系统——十六烷基吡啶/氧固醇（CPC/Oxy）甾醇脂质体。在本研究中，我们首先通过物理化学性能表征和细胞毒性实验证明了CPC/Oxy甾醇脂质体良好的稳定性和生物相容性。不仅如此，CPC/Oxy甾醇脂质体在体外表现出了令人满意的广谱抗菌性能，其能有效杀灭革兰氏阳性和革兰氏阴性菌，清除已形成的细菌生物膜。此外，骨诱导性能评估提示CPC/Oxy甾醇脂质体在体外的2D和3D培养中，均能显著促进大鼠骨髓间充质干细胞的成骨分化，并且当局部给药于大鼠颅骨不可自愈合感染性缺损模型时，达到了同时抗菌和促进骨愈合的目的。这些实验结果表明，我们制备的CPC/Oxy甾醇脂质体可以在有效抗菌的同时达到促进成骨的效果，在体外和体内实验中都解决了抗菌和成骨之间难以同时兼顾的问题。CPC/Oxy甾醇脂质体作为非抗生素抗菌剂，克服了许多抗生素耐药等问题，作为具有骨诱导性能的载药系统具有与临床上使用的骨诱导药物联用的潜能，达到协同促进成骨的效果。这种多功能的甾醇脂质体为感染性骨缺损的治疗提供了一种新的思路。目前该项目已获得一系列创新性的研究成果，项目的科学意义不仅在于感染性骨缺损的治疗方案优化，并且，我们赋予药物载体多重功能，实现了功能性的药物载体理念。这一概念扩展到今后的研究中，将为载药系统的研究提供新的思路。新型甾醇脂质体原料来源广泛，易于修饰，价格低廉，具有很大的潜质可以很快的被应用于临床。因此对于新型甾醇脂质体更加深入的研究，无论是在基础科学研究层面上，还是在将来面向临床应用层面上，具有十分重要的意义。