第一作者：Mengmeng Li
通讯作者：李军 张兴才
通讯单位：四川大学华西医院 斯坦福大学
研究速览：
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。该研究讨论了 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。
要点分析：
要点一：稳定的支持结构、外源性的“愈合刺激”及表面形貌线索对骨修复至关 重要。骨折是骨科最常见的疾病之一，特别是随着人口老龄化，骨再生是一个重要的 临床问题。高能量或难治性骨折可导致大量骨丢失和不“自发”愈合的轻微骨缺损。因此，稳定的支持结构和外源性的“愈合刺激”对促进骨缺损再生至关重要。目前， 骨移植有三种方法：自体移植、同种异体移植和人工支架。虽然骨缺损修复生物材料 的研究较多，但对细胞增殖和成骨的促进作用有限，无法解决生理结构需求。另一方 面，研究表明，表面形貌线索对骨修复也是必不可少的，这可能与它们诱导的巨噬细 胞极化有关。此外，MSCs 在模拟由植物或动物制成的天然表面的材料上表现出不同的 成骨能力，这可能与 MSCs 分化潜力的变化有关。对于细菌定植，如铜绿假单胞菌， 也显示出类似的效果。
要点二：3D 打印技术及抗菌肽分别对促进新骨形成和治疗感染方面有优 势。近年来，3D 打印技术取得了重大进展，能够生产具有精确几何形状和结构的用于 关节再生的仿生支架。此外，生物 3D 打印集成了生物活性因子、间充质干细胞和其他 活性成分， 以创建高度生物相互作用的微环境，促进广泛的新骨形成。除了直接伤口 污染后的细菌定植外，预计还会出现与骨科生物材料相关的感染，金黄色葡萄球菌是 最常见的病原体。在增强细胞粘附和增殖的植入物中，细菌感染的风险特别高，甚至 轻微的细菌感染也可能导致生物膜的形成，具有显著的影响。非传统抗菌剂，如抗菌 肽，为治疗具有不同作用机制的感染提供了新的机会，并且在过去三十年中得到了越 来越多的研究。
要点三：AI技术改变了AMP相关药物开发过程，加快了靶点识别和优化效率并能预测药代动力学特性。除了在筛选和发现新AMP候选药物方面扮演的角色外，AI技术还彻底改变了药物开发过程。凭借其快速而准确地分析大量数据的能力，AI显著加快了潜在药物靶点的识别，并提高了引导优化效率。此外，AI算法可以用于预测AMPs的药代动力学特性，包括吸收、分布、代谢和排泄。这种预测能力使研究人员能够优先考虑有前途的候选者进行进一步调查，同时最大限度地减少昂贵的实验失败。此外，基于AI技术平台促进了来自不同学科领域多样化数据源的整合。通过将基因组学、蛋白质组学、代谢组学和临床研究与机器学习算法驱动的计算模型相结合，科学家们可以全面理解AMPs作用机制和治疗潜力。随着研究不断深入并且数据库继续扩展以涵盖关于不同人群或疾病情况下AMPs功效和安全性资料等新实验结果和临床数据；AI将在个体化治疗策略优化中起到越来越重要的作用。根据患者特定特征个性化医学将不仅增强治疗效果，还降低传统广谱抗生素所带来的副作用。随着计算机科学家、生物学家和临床医生之间跨领域合作对这一领域复杂性认识日益深入，利用AI发现与开发新型AMP完全潜力将得以实现。
要点四：多维打印技术的发展将使支架材料具备动态调整和适应微环境变化的能力，同时提高产品精度和个性化程度，并为制造智能仿生支架、集成其他功能以及提供先进成像技术带来新可能性。随着多维3D/4D/5D/6D打印技术的不断发展和进步，时间维度将被整合到骨修复支架材料中，以实现对外部条件和特定功能的动态调整，从而增强其对微环境变化的适应性。此外，5D/6D技术显著提高了产品精度，并便于生产更复杂结构、功能和个性化产品。柔性材料具备出色的柔韧性和可塑性，在为人体骨骼形状和运动功能提供稳定支撑时能够无缝衔接，当与可穿戴技术相结合以实时监测骨骼系统时，可以极大地改善患者诊断和治疗过程。随着4D/5D/6D技术与骨修复支架材料不断融合发展，在再生医学领域将取得显著进展，这些技术发展为增强组织再生并促进愈合过程开辟了新可能性。其中一个潜在应用是制造能够根据身体内生理信号动态响应的智能支架，通过结合4D打印技术设计这些支架，在组织再生不同阶段可以改变其形状或释放特定生长因子，此外，借助5D/6D技术整合还可以将其他功能集成到骨修复支架材料中。例如，在支架内嵌入传感器可以监测关键参数如pH值或氧气浓度，并实时反馈组织健康情况以指导治疗决策。此外，这些技术所带来的先进成像技术能够提供对组织发育的详细洞察，并协助研究人员更深入地理解再生过程在细胞水平上是如何进行的。此外，4D/5D/6D技术的进步为再生医学中使用的生物制造方法提供了令人兴奋的前景，多个维度上精确控制材料特性的能力可以更准确地复制天然组织复杂结构和功能，从而为创建仿生支架以模拟自然组织力学特性和生化信号开辟了新途径。
图文导读
图 1 影响骨再生的因素。骨化需要能够提供必需细胞因子（如 BMP-2 、TNF-γ 和金属 离子）的成骨微环境来诱导 BMSC 成骨分化。软骨形成后，钙化接踵而至，导致新骨 的产生。整个过程由提供重要营养物质和氧气的新生血管形成促进。血管生成的促进 涉及 M2 细胞，并受包含 VEGF 和 CGFR 等因子的信号通路的调节。此外，Mg2+ 等金 属离子也有助于血管生成。
图 2 A. 骨再生过程和 Wnt3a 信号通路的简要描述。B. 显示 FBXO31 和 USP53 在 hBMSC 成骨分化过程中调节 Wnt 信号介质 β-catenin 的分子机制的图表。C. 淋巴管不仅将次级淋巴器官与全身的组织部位连接起来，而且现在还直接冲洗骨骼并参与其再生。D. 构建 3D仿生支架促进组织修复及其促进大段骨缺损再生的机制。i） 骨再生的正常生物过程。ii） 大段骨缺损的软骨愈伤组织或 H 型血管，3D 仿生钙化软骨愈伤组织与耦合H 型血管形成， 以促进大段骨缺损的再生。E.MgO2/ PLGA 支架修复骨缺损的时间顺序功能机制，红色箭头表示促进，绿色 “T ” 表示抑制。
图 3 开放性骨折感染的基本过程。暴露于细菌后，最初的细菌粘附发生在受伤 的表面，随后在细胞基质和骨髓内定植。细菌浸润成骨细胞和破骨细胞，导致持 续感染。未能及时控制感染会导致细菌增殖和生物膜形成，从而加剧治疗难度。
图 4 A.金属支架电化学产生用于杀菌活性的 H+ 和用于成骨促进成骨的 OH- 。B. 不同 AMP-RNA 组装体的形成，这些组装体通过不同强度和性质的相互作用结合在一起。C. FCLAP 在体外和体内对抗大肠杆菌 O157 ：H7 的示意图。FCLAPs 通过双重靶向机制杀死细菌：1）与外膜的 LPS 小叶相互作用，导致不稳定区域并促进 FCLAPs 的进入；2） FCLAPs 进一步插入 PGN 层，阻断 PGN 合成，导致细胞壁结构中断。细胞包膜的破裂进一步诱导膜成分的代谢紊乱，细胞质内容物泄漏，最终导致细菌死亡。D. KTA 对抗大肠杆菌 O157 ：H7 的主要抗菌机制。关于 KTA 失活机制的最重要发现包括抑制 LPS 和 PGN 代谢、消耗 LPS 和 PGN 生物合成的关键前体以及扰动中心碳代谢和能量代谢。
图 5 A.使用TA和 LL-37 肽修饰的 PPB纤维支架和LL-37 肽嫁接的纤维支架显著增强血管生成、抗炎作用和 H 型血管化骨再生的示意图。B.POPC/POPG 双层与负载有LL-37 的病毒样和光滑的介孔二氧化硅纳米颗粒以及游离 LL-37 相互作用后，通过中子反射率观察到的结构效应。由负载肽的光滑纳米颗粒诱导的结构效应是适度的，并且局限于外部双层小叶。相反， 负载 LL-37 的病毒样纳米颗粒诱导剧烈的结构变化，跨越整个双层并且比游离 LL-37 的作用更明显。C.AMP 治疗的期望特征包括具有掩蔽活性的长循环，通过被动或主动靶向在感染部位的蓄积，通过感染微环境触发物的活化，和表现出靶向抗微生物活性等。D.肽-光敏剂缀合物对革兰氏阴性菌的抗菌机制示意图。E.功能钛表面的制备。（i）功能表面可以在整个使用寿命中适应以表现出特定的生物功能。（ii 和 iii）功能性钛植入物的制备过程的示意图。
结论
本文总结了感染性骨缺损潜在机制，并介绍了相关领域内对于AMPs作用机理和优化策略方面取得的研究成果，还探讨了利用AMPs治疗感染性骨缺损所带来潜在前景。此外，运用AI算法预测AMPs药代动力学特征包括吸收、分布、代谢和排泄，并通过将基因组学、蛋白质组学、代谢组学以及临床研究信息与机器学习驱动计算模型相结合，为多学科之间进行跨领域合作以全面理解AMPs作用机制、治愈患者提供了可能性，并在为患者患者提供个体化优化治疗策略等方面发挥潜力。同时随着3D/4D/5D/6D技术不断进步并与骨修复支架材料融合，有望在再生医学领域能够取得显著进展。本文总结了针对感染性骨缺损相关领域内治疗方案所做出的前沿探索，并为将多维打印技术与新型抗菌药物相结合形成创新有效解决方案提供指导；同时也为当前骨再生领域所面临的挑战提供一种新颖而有效解决途径。
全文链接：https://doi.org/10.1039/D4MH01124D
参考文献：Functional Antimicrobial Peptide-loaded 3D Scaffolds for Infected Bone Defect Treatment with AI and Multidimensional Printing. Mengmeng Li, Peizhang Zhao, Jingwen Wang, Xingcai Zhang, Jun Li. Materials Horizons.2024, DOI: 10.1039/d4mh01124d.
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