益生菌和噬菌体携手对抗脊髓灰质炎

背景

随着骨髓炎成为骨科手术中的一种日益严重的并发症，传统植入物面临着抗生素抗药性和生物膜屏障的双重挑战，治疗效果往往不尽如人意。近日，一项结合噬菌体和益生菌生物膜改性生物陶瓷支架的新型设计，提供了一种创新的解决方案，为骨髓炎的治疗开辟了新天地。这项研究不仅揭示了该生物活性植入物的多重优势，也为未来的骨科临床治疗提供了新的思路。

突破传统植入物局限：抗菌与免疫调节双重作用

传统的植入物往往缺乏生物活性，且常携带抗生素药物，但由于抗生素难以穿透生物膜的屏障，它们在治疗骨髓炎时面临着巨大挑战。研究团队通过将乳酸菌（Lactobacillus reuteri, LR）生物膜与噬菌体相结合，设计出了新型的改性生物陶瓷支架（PL@TCP）。这种支架不仅能够通过噬菌体裂解特定细菌群体（如大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）来消除感染，还通过益生菌生物膜调节免疫反应，从而有效抑制炎症、促进骨修复。

Scheme 1. Schematic presentation of probiotic biofilm modified scaffolds for facilitating osteomyelitis treatment through sustained release of bacteriophage and regulated macrophage polarization. (a) Preparation of probiotic (LR) biofilm modified TCP with phage (PL@TCP). (b) Antibacterial capability of PL@TCP. (c) Immunomodulation and osseointegration of PL@TCP.

在这种新型支架中，灭活的LR生物膜能够维持免疫细胞的激活，且其免疫调节效应显著，能够减少炎症反应并增加抗炎因子的表达。研究表明，LR生物膜通过调节巨噬细胞的极化，促进其向抗炎的M2型极化，从而减少经典的促炎通路（NF-κB信号通路）的激活。这一机制使得该支架不仅具备了抗菌作用，还能有效改善由感染引发的骨缺损，提供额外的治疗效益。

Fig. 7. Antimicrobial and osteogenic properties of PL@TCP in vivo. (a) Scheme presented the process of osteomyelitis model establishment, bacterial resection, scaffold implantation, antimicrobial and osteogenic analysis. (b) Antibacterial effects on S. aureus at week 4 post-surgery. (c) Quantitative analysis of bacterial colonies of S. aureus. (d) 3D micro-CT images of cranium at week 4 and 8 post-surgery. (e) Quantitative analysis of osteogenesis-related parameters including BV/TV, Tb.N, Tb.Th and Tb.Sp. (f) H&E staining and Masson staining for bone defects and surrounding normal bones at week 4 and 8 post-surgery. ∗P < 0.05, ∗∗P < 0.01, ∗∗∗P < 0.001, ∗∗∗∗P < 0.0001.

促进骨生成的关键机制：增强干细胞分化

此外，PL@TCP支架通过促进间充质干细胞（BMSC）骨生成分化，进一步推动了骨修复的进程。研究显示，PL@TCP支架通过上调TGF-beta信号通路等关键骨生成通路，促进了干细胞向骨生成方向的分化，显著提升了骨修复的效果。这一发现表明，这种改性支架不仅能够消除感染，还能在骨髓炎引起的骨缺损部位有效促进骨组织的再生。

动物实验中的卓越表现

在骨髓炎大鼠模型中，PL@TCP支架的应用不仅有效清除了金黄色葡萄球菌感染，还通过免疫调节作用减轻了炎症反应，并成功促进了骨生成。研究结果表明，PL@TCP支架能够有效地解决骨髓炎引起的感染和骨损伤问题，展现了其作为一种新型生物活性植入物在临床中的广泛应用潜力。

结论与展望

该研究不仅验证了噬菌体和益生菌生物膜改性生物陶瓷支架在治疗骨髓炎中的巨大潜力，还提供了一种创新的思路，弥补了传统植入物在抗菌性和骨修复功能方面的不足。通过这种双重机制的集成，新型生物活性支架不仅能够消除细菌感染，还能促进骨再生，为骨科手术后感染的治疗提供了一种全新的、多功能的解决方案。

总体而言，PL@TCP支架为抗感染和骨修复提供了一种新的治疗方式，尤其适用于骨髓炎的临床管理，为未来的生物医学材料研究和临床应用开辟了新的方向。这项研究为骨髓炎治疗提供了更具前景的治疗策略，也为生物活性植入物的设计和开发指明了方向。

参考文献：

https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2025.101444