研究背景
感染是骨折最常见的并发症，尤其是在开放性骨折中，通常会导致严重的后果。细菌耐药性的出现显著加剧了临床实践中的感染负担，使感染控制成为感染性骨缺损的重大治疗挑战。
尽管感染风险增加，但结构支架的植入对于治疗大骨缺损是必要的。因此，需要开发新型抗菌疗法。抗菌生物材料和新型抗菌药物的进步为抗菌治疗提供了新的视角。尽管抗菌 3D 支架目前是研究的重点，但仅依靠材料特性或抗生素作用仍然是不够的。抗菌肽 (AMPs) 是最有前途的新型抗菌治疗方法之一。
研究内容
近日，四川大学华西医院李军和斯坦福大学张兴才带领研究团队论述了感染性骨缺损背后的潜在机制，并介绍了抗菌肽的研究结果，特别强调了其机制和优化策略。研究团队还探讨了利用抗菌肽治疗感染性骨缺损的潜在前景。此外，研究团队建议人工智能 (AI) 算法可用于预测 AMPs 的药代动力学特性，包括吸收、分布、代谢和排泄，通过将来自基因组学、蛋白质组学、代谢组学和临床研究的信息与机器学习算法驱动的计算模型相结合，科学家可以全面了解 AMPs 的作用机制、治疗潜力、优化针对个体患者的治疗策略，并通过计算机科学家、生物学家和临床医生之间的跨学科合作，AI 在加速新型 AMPs 的发现和开发方面的全部潜力将得到实现。
此外，随着 3D/4D/5D/6D 技术的不断进步及其与骨修复支架材料的整合，研究团队预计再生医学领域将取得显著进展。该研究总结了感染性骨缺损治疗最新的相关研究，为未来多维打印与新型抗菌剂相结合的新型治疗策略提供了指导，并为当前骨再生领域的挑战提供了新颖有效的解决方案。
Figure 1. The factors influencing bone regeneration. Ossification necessitating an osteogenic microenvironment capable of providing essential cell factors such as BMP-2, TNF-γ, and metal ions to induce BMSC osteogenic differentiation. Subsequent to cartilage formation, calcification ensues leading to new bone generation. This entire process is facilitated by neovascularization that supplies vital nutrients and oxygen. The promotion of angiogenesis involves M2 cells and is regulated by signaling pathways encompassing factors like VEGF and CGFR. Furthermore, metal ions such as Mg2+ also contribute to angiogenesis.
Figure 2. A. A brief description of the process of bone regeneration and the Wnt3a signaling pathway. B. Diagram showing the molecular mechanism through which FBXO31 and USP53 regulate the Wnt signaling mediator, β-catenin, during the osteogenic differentiation of hBMSCs. C. Lymphatic vessels not only connect secondary lymphoid organs with tissue sites throughout the body but are also now shown directly irrigating bones and participating in their regeneration. D. Construction of a 3D biomimetic cartilaginous callus and its mechanism of promoting the regeneration of large-segment bone defects. i) Normal biological process of bone regeneration. ii) Large-segment bone defects cannot form calcified cartilaginous calluses or type H vessels. A 3D biomimetic calcified cartilaginous callus with coupled type H vessels formation was constructed to promote the regeneration of large-segment bone defects. E. The time-sequential functional mechanism of MgO2/PLGA scaffold for repairing the bone defect, the red arrows for promotion, and green “T” for inhibition.
Figure 3. The fundamental process of open fracture infection is depicted. Following exposure to bacteria, initial bacterial adherence occurs on the injured surface, followed by subsequent colonization within the cellular matrix and bone marrow. Certain bacteria infiltrate osteoblasts and osteoclasts, leading to persistent infection. Failure to promptly control the infection allows for bacterial proliferation and biofilm formation, thereby exacerbating treatment challenges.
该成果以 “Functional Antimicrobial Peptide-loaded 3D Scaffolds for Infected Bone Defect Treatment with AI and Multidimensional Printing”(《AI 及多维打印技术赋能功能化抗菌肽 3D 支架治疗感染性骨缺损》) 为题，发表在英国皇家化学会期刊 Materials Horizons 上，并入选为 hot article 和封面文章。
论文信息
Functional Antimicrobial Peptide-loaded 3D Scaffolds for Infected Bone Defect Treatment with AI and Multidimensional Printing
Mengmeng Li, Peizhang Zhao, Jingwen Wang, Xingcai Zhang*（张兴才，斯坦福大学）, Jun Li*（李军，四川大学）
Mater. Horiz., 2024
https://doi.org/10.1039/D4MH01124D
作者简介
本文第一作者，四川大学华西医院/华西临床医学院临床医学专业本科生，指导老师为李军副教授，主要研究方向为生物材料与 3D 打印技术用于修复骨缺损的研究。
本文通讯作者，四川大学华西医院骨科副教授、副研究员，硕士生导师，医学博士、博士后，哈佛大学医学院联合培养博士。入选天府峨眉计划青年人才，四川省海外高层次计划人才，成都市前沿医学中心双聘 PI，四川大学华西医院管理后备人才。主持包括国家自然基金青年项目、中国博士后基金面上项目、四川省科技厅重点研发计划等在内的各级科研项目 11 项，作为课题骨干参与包括国家重点研发计划、国家自然基金面上项目在内的课题 10 项，以一作或通讯发表高水平 SCI 论文 20 余篇，包括 Trends Cancer、 Materials Horizons、Chem Eng J、Adv Healthc Mater、ACS Appl Mater Inter 等，入选 ESI 全球 Top 1% 高被引论文 1 篇。获 COA 骨科中青年医师优秀论文奖，第二届华西骨科青年发展基金ESI高引论文奖、明日之星奖。申报国家发明专利 9 项，其中 5 项已获得授权。参与编写骨科临床专著 1 部《骨肉瘤的基础与临床》、参译专著 1 部《骨与关节感染》。作为主研负责 GCP 临床 Ⅱ 期试验 3 项、临床 Ⅲ 期试验 1 项。目前担任中国医师协会骨质疏松分会委员、中华志愿者协会中西医结合脊柱组副组长、中国医师协会骨科足踝分会青年委员，Exploration、中华创伤杂志青年编委。担任 ACS Appl Mater Inter、Orthop Surg、Neural Regen Res 等 10 余本国际期刊审稿人、国家自然基金评审专家。
本文通讯作者，斯坦福大学/哈佛大学/麻省理工研究员，主要从事人工智能/微流控赋能的可持续天然及仿生纳米材料和技术及其在生物医药及可持续能源环境中的应用研究，迄今为止已在 Nature Reviews Materials, Nature Nanotechnology，Nature Medicine, Nature Reviews Clinical Oncology, Nature Communications, Science Advances, Proceedings of the National Academy of Sciences U. S. A. (PNAS) , Nano-Micro Letters, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Materials Today, Progress in Materials Science, Chemical Society Reviews 等国际顶级期刊发表三位数的高质量论文，不少论文获评 Top 0.1% Hot Papers。2017 年起应 Nature VP Richard Hughes 邀请协助 Nature 完成 Nature Outlook Tea 自然茶专刊的出版发行受到 Nature 的高度评价和致谢，多次应邀为 Nature 系统开展相关科学讲座，并作为 Nature Communications 的唯一作者代表参与 Springer Nature 一百万篇金色开源期刊系列的庆祝视频录制。应邀为 Nature, Materials Today, Royal Society of Chemistry 英国皇家化学会等进行科学学作，并担任过 Springer Nature, American Chemical Society, Wiley 等期刊编委会或者顾问委员会成员。在自然科学与茶领域的工作在世界范围内收到各界的广泛好评和 Fox News, Boston Globe, Boston Magazine, Harvard Political Review, China Daily USA, Boston.com, Boston Herald, Tufts Daily, Boston City TV, China Radio International, EurekAlert, American Association for the Advancement of Science (AAAS), American Chemical Society, Materials Research Society, Deep Tech, 麻省理工科技评论等主流媒体的广泛报道, 也被 Nature Materials，Nature Medicine，Nature Nanotechnology，Nature Reviews Materials，Chemical Society Reviews，Advanced Materials 等 feature 或者报道。
期刊介绍
rsc.li/materials-horizons
Mater. Horiz.
| 2-年影响因子* | 12.2分 |
| 5-年影响因子* | 12.5分 |
| JCR 分区* | Q1 材料科学-跨学科 Q1 化学-跨学科 |
| CiteScore 分† | 18.9分 |
| 中位一审周期‡ | 38 天 |
Materials Horizons 是材料科学领域的领导性期刊，发表高质量、高创新性的研究成果。该期刊侧重于原创性研究，强调所发表的论文要提出新的概念或新的思维方式（概念上的进展），而不是以报道技术方面的进展为主。当然，在概念上未有创新但实现了突破性进展的杰出工作（例如材料性能突破已有纪录）也有被发表的机会。另外，该刊要求所发表的论文能引起材料科学各领域读者的广泛兴趣。
Martina Stenzel
🇦🇺 新南威尔士大学
|
|
Editorial board members
|
|
* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
† CiteScore 2023 by Elsevier
‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件
📧 RSCChina@rsc.org
↓↓↓
