由于全球人口老齡化和醫(yī)療保健意識(shí)的提高，骨科疾病的全球上升導(dǎo)致對(duì)骨科植入物的需求持續(xù)增長(zhǎng)。然而，在確保骨科植入物在臨床治療中的有效性仍存在幾個(gè)挑戰(zhàn)。諸如早期細(xì)菌感染、免疫排斥、炎癥反應(yīng)和骨整合松動(dòng)等并發(fā)癥可能導(dǎo)致骨科植入物過(guò)早失效、延遲愈合和不愈合，以及局部功能障礙或骨組織損傷。然而，在植入物表面同時(shí)實(shí)現(xiàn)抗菌，調(diào)控成骨免疫微環(huán)境和促成骨的研究還非常少見(jiàn)。
在本研究中，考慮到細(xì)菌、骨細(xì)胞和免疫細(xì)胞的獨(dú)特微環(huán)境和生物機(jī)制，研究者旨在開(kāi)發(fā)一種生物安全表面，當(dāng)與特定細(xì)菌或細(xì)胞在它們獨(dú)特的微環(huán)境中相互作用時(shí)表現(xiàn)出特定的生物醫(yī)學(xué)功能。基于此，香港大學(xué)深圳醫(yī)院楊偉國(guó)（Kelvin W.K. Yeung）教授和張冬冬助理研究員（博士后）等人介紹了一種新的骨科植入物表面設(shè)計(jì)—?dú)浠Z（PdHx）薄膜，使這兩種不同的特征能夠共存。PdHx晶格捕獲細(xì)菌細(xì)胞外微環(huán)境中的質(zhì)子，破壞它們的正常代謝活動(dòng)，如ATP合成、營(yíng)養(yǎng)共轉(zhuǎn)運(yùn)和氧化應(yīng)激。此外，PdHx獨(dú)特的酶活性和載氫特性激活了人體抗氧化系統(tǒng)，導(dǎo)致活性氧（ROS）的快速清除。這一過(guò)程重塑了成骨免疫微環(huán)境，促進(jìn)了成骨加速作用。該研究結(jié)果還表明，NOD樣受體信號(hào)通路的下調(diào)對(duì)于激活免疫細(xì)胞走向M2表型極化至關(guān)重要。這種新穎的表面設(shè)計(jì)為修飾植入物涂層提供了新的策略，以同時(shí)防止細(xì)菌感染、減少炎癥和增強(qiáng)成骨整合能力。
2024年5月17日，相關(guān)工作以“Novel palladium hydride surface enabling simultaneous bacterial killing and osteogenic formation through proton capturing and activation of antioxidant system in immune microenvironments”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Advanced Materials （IF=29.4）。
【文章要點(diǎn)】
許多研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鈀（Pd）原子可以很容易地與氫原子結(jié)合，使Pd納米晶體在室溫下儲(chǔ)存質(zhì)子（形成PdHx）并通過(guò)其晶格釋放氫氣（H2）。為了維持質(zhì)子濃度梯度，細(xì)菌需要將細(xì)胞內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外空間。因此，研究者提出，Pd原子的5s電子層可以用來(lái)共軛質(zhì)子，將它們吸引到PdHx晶格中，并在細(xì)菌膜外的微環(huán)境中有效地消耗它們。這個(gè)過(guò)程會(huì)破壞細(xì)菌的呼吸，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡。同時(shí)，納米構(gòu)造的PdHx具有類似于天然酶的多種抗氧化酶活性。此外，PdHx釋放的H2作為內(nèi)源性氣體和抗氧化劑發(fā)揮重要的生理和病理調(diào)節(jié)功能，對(duì)各種疾病具有顯著的治療作用，如動(dòng)脈粥樣硬化、阿爾茨海默病、關(guān)節(jié)炎、皮炎、結(jié)腸炎、肝炎和胰腺炎。因此，作者認(rèn)為PdHx獨(dú)特的酶活性和載氫特性有效地發(fā)揮了基于生物材料的抗氧化系統(tǒng)的作用，導(dǎo)致ROS的快速清除，并促進(jìn)巨噬細(xì)胞向抗炎M2型的轉(zhuǎn)化（圖1）。
圖1. PdHx薄膜的抗菌及成骨機(jī)制示意圖
為此，研究者通過(guò)在室溫下在H2氣流下采用離子濺射和浸漬處理來(lái)進(jìn)行定制PdHx膜改性鈦（Ti）植入物。作者使用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和細(xì)胞內(nèi)分子測(cè)定法檢測(cè)了PdHx膜對(duì)細(xì)菌、巨噬細(xì)胞和骨相關(guān)細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)。細(xì)菌轉(zhuǎn)錄組分析顯示，細(xì)菌內(nèi)部氧化應(yīng)激增加，而ATP合成和營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸活性受到抑制，這表明氧化損傷、能量產(chǎn)生功能障礙和營(yíng)養(yǎng)缺乏是PdHx薄膜的主要抗菌機(jī)制。此外，PdHx膜可以通過(guò)酶催化和H2釋放在細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)ROS，從而重塑成骨免疫微環(huán)境，增強(qiáng)成骨能力。BMDMs的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析表明，NOD樣受體信號(hào)通路的下調(diào)在激活免疫細(xì)胞進(jìn)行M2表型極化從而促進(jìn)骨組織修復(fù)中起著至關(guān)重要的作用。
骨科醫(yī)學(xué)中心助理研究員（博士后）張冬冬為論文第一作者，博士后合作導(dǎo)師楊偉國(guó)（Kelvin W.K. Yeung）教授為該論文的通訊作者，香港大學(xué)深圳醫(yī)院為該工作的第一單位。該研究成果以我院博士后為第一作者，我院為第一單位在國(guó)際頂刊Advanced Materials發(fā)表，反映了近年來(lái)醫(yī)院在基礎(chǔ)研究和博士后培養(yǎng)質(zhì)量的提高，有效提升了醫(yī)院在醫(yī)學(xué)研究上的綜合影響力。
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