引用本文： 王珮琳, 林浩東. 納米材料在骨髓炎治療中的應用研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2021, 35(5): 648-655. doi: 10.7507/1002-1892.202012044 復制
骨髓炎是一種由細菌感染引起的骨質破壞伴或不伴有繼發性骨質增生的炎癥性疾病，包括血源性骨髓炎、創傷后骨髓炎、臨近播散性骨髓炎和糖尿病足感染等。目前骨髓炎治療方法雖多種多樣，但仍以手術治療和抗生素應用為主。傳統治療方案存在諸多缺陷，如大塊骨缺損無法有效填充、靜脈應用抗生素無法達到局部有效濃度及對抗生素耐藥等[1-3]。因此，研發新型材料來實現填補骨缺損、局部釋放抗生素以及輔助殺菌等作用，成為近年來組織工程學的重要研究方向[4]。納米材料是指結構單元尺寸介于 1～100 nm 之間的材料，與普通材料相比具有特殊的理化性質，如較大表面積與質量比、較好力學特性和化學反應性等，能夠更好地吸附和釋放所載藥物[5-6]。與微觀結構相比，表面比和近表面原子數的增加是導致納米材料性質明顯不同的原因。因此，基于納米材料的諸多優點，其可用于設計高特異性材料，并與人體細胞在分子水平上相互作用，以最小副作用實現最大治療效果[7-8]。目前，納米材料主要依靠對骨缺損的填充、局部載藥緩釋系統的建立以及納米材料的自身作用等方面參與骨髓炎的治療。本文主要討論這些因素對骨髓炎治療的影響，總結納米材料應用于骨髓炎治療的最新研究進展。
1 納米材料應用于骨缺損填充
骨缺損多指由各種原因如骨折、感染或癌癥等造成的骨質缺失，在機體自我修復中，具有足夠體積的新生骨是恢復其外觀和功能的必要條件，因此骨缺損的修復主要取決于骨缺損大小，當缺損骨組織大于成骨愈合能力時，比成骨細胞遷移速度更快的纖維結締組織便占據骨缺損區域，引發諸多后遺癥[9]。大面積骨缺損和嚴重細菌感染會損害骨組織的自愈能力，目前常以全身或局部應用抗生素來控制感染，隨后植入骨移植物填補骨缺損，如自體骨和同種異體骨[10]。但這些治療方案耗時長，療效差。為了解決這些問題，人們研發了具有抗菌和骨誘導性能的新型納米生物材料，將抗生素與這些新型材料結合可賦予其抗感染能力[11-12]。
在分子生物學層面，許多生長因子如 FGF、IGF 和 VEGF，能夠顯著促進成骨和血管生成[13]。但只有 BMP 才能在促纖維化微環境中特異性誘導新生骨形成，因此 BMP 可用來研發具有強大骨誘導特性的生物材料[14]。Shen 等[15]以絲素蛋白（silk fibroin，SF）和納米羥基磷灰石（nano hydroxyapatite，nHA）為支架，將 BMP-2 負載到 SF 微球中，然后將該微球包封于 SF/nHA 支架中，再通過物理吸附將 BMP-2 與基質細胞衍生因子 1（stromal-derived factor 1，SDF-1）功能化，構建了一種無細胞骨組織工程系統，能夠以有序和可控的方式植入和釋放細胞因子，以促進細胞募集和骨形成。Wang 等[16]在此基礎上進一步添加了 VEGF，使其能夠以極低劑量緩慢釋放，以此構建了無細胞血管化骨組織工程系統，能夠分別促進骨和血管生成，并成功修復了大鼠顱骨缺損。最近，Mahon 等[17]研發了一種 nHA 顆粒，其能夠使巨噬細胞發生 M2 型極化，激活轉錄因子 cMaf 以特異性增強抗炎細胞因子 IL-10 的產生；他們以此納米顆粒構建的功能化支架成功修復了大鼠股骨缺損。
在骨髓炎相關研究中，Min 等[18]制備了可降解的納米層級生物膜并將其包裹在聚醚醚酮（poly-ether-ether-ketone，PEEK）植入物上，該生物膜涂層結構能夠盡早釋放涂層頂層中的抗生素，消除已形成的細菌生物膜，并在隨后數周內持續釋放抗生素至最低抑菌濃度以上，且底層的 BMP-2 涂層能夠長期持續釋放 BMP-2，從而達到治療骨髓炎的目的。Li 等[19]利用堿熱處理的質子化效應和聚多巴胺的氧化還原性質，在納米鈦表面構建了鍶離子（Sr2+）和銀離子（Ag+）雙重負載納米顆粒。由于不同負載機制，Sr2+ 和 Ag+ 釋放相對獨立，能夠在納米顆粒表面形成抑制細菌生長和促進巨噬細胞 M2 型極化的微環境，并于兔股骨骨髓炎模型中成功修復感染性骨缺損。
目前，將納米材料負載細胞因子后加入復合材料支架中修復骨缺損，成為該領域主要研究方向，這些新型納米生物材料在治療感染性骨缺損方面具有非常廣闊的應用前景。見表 1。
表1
新型納米生物材料修復骨缺損的相關研究
Table1.
Research on new nano biomaterials for repairing bone defects
2 局部載藥緩釋系統的建立
骨髓炎傳統治療的“金標準”是壞死骨和周圍感染組織擴大清創術，隨后行數周抗生素全身治療，且抗生素須長期維持較高濃度，不良反應發生率相應會大大增加[27-28]。然而，由于藥物滲透性差、局部缺血和“髓-血”屏障存在等原因，導致抗生素在骨髓炎相關部位無法達到抗感染所需最低抑菌濃度[29]。此外，對耐藥菌株而言，應用普通抗生素無法達到良好治療效果，而強效抗生素則會產生更強的毒副作用，因此，給藥途徑選擇成為治療耐藥菌株感染的關鍵[30]。
載藥緩釋系統作為局部給藥的介質，能夠在感染部位緩慢釋放抗生素以達到持續最低抑菌濃度，并降低對非目標器官、組織及細胞的傷害，目前廣泛應用于慢性骨髓炎的實驗和臨床治療[31]。Wang 等[32]合成了一種新型二氧化硅微球/nHA/聚氨酯復合支架并加載左氧氟沙星，該新型納米載藥復合支架能夠在骨髓炎局部提供持續有效的抗生素抑菌濃度，并能抑制兔脛骨慢性骨髓炎的發展。Krishnan 等[33]制備了左旋聚乳酸纖維增強的二氧化硅包覆 nHA 明膠復合支架，其具有可生物降解、機械強度高等優勢，其涂層中釋放的硅粒子能夠增強血管與新生骨生成。他們在該支架中加入萬古霉素（vancomycin，VCM）并用于治療大鼠股骨骨髓炎，結果顯示其能夠有效控制感染并修復骨缺損；除構建載藥支架外，他們也嘗試將抗菌藥物負載到納米顆粒表面，借由納米顆粒的獨特性質將抗菌藥物釋放至感染區域。Saidykhan 等[34]以霰石為基礎制備納米顆粒，利用其良好的生物相容性和可降解性質將其作為載體，表面附著 VCM，用于治療耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（methicillin resistant Staphylococcus aureus，MRSA）引發的慢性骨髓炎取得良好效果。在另一項研究中，Tao 等[35]以季銨鹽殼聚糖和羧化殼聚糖納米顆粒為原料，通過正負電荷負載 VCM 形成 VCM 復合納米顆粒，從而提高 VCM 的包封率和載藥量，并在局部持續釋放高濃度 VCM，以達到延緩兔脛骨骨髓炎進展的治療目的。
近年來，在臨床治療骨髓炎過程中，使用何種植入物填充死骨去除后的空腔至關重要。目前廣泛應用的植入物包括抗生素骨水泥、人工骨等，其中抗生素骨水泥最為常見。應用抗生素骨水泥除了能提高治療效果、改善患者關節功能外，還能在很大程度上提高患者生活質量[36]。
為了增強骨水泥抗菌性能，Shen 等[37]以介孔二氧化硅納米顆粒為藥物載體結合聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，不僅能增強骨水泥抗菌性，骨水泥的力學特性也得到很好保留，具有制備強效抗菌骨水泥的巨大潛力。針對目前抗生素骨水泥藥物釋放效率低的問題，Shen 等[38]在聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥中加入中空二氧化硅納米管，形成抗生素納米級釋放網絡，使抗生素釋放率大大提高且抗壓強度保持良好，為骨髓炎的治療提供全新思路。
對于耐藥菌株引發的骨髓炎，如何將藥物有效傳遞至感染部位成為治療關鍵[39-40]。Jiang 等[41]利用 nHA 微丸作為載體負載 VCM，局部注射治療 MRSA 所致慢性骨髓炎，于兔脛骨骨髓炎模型中成功抑制病情進展并修復感染性骨缺損。Zhang 等[42]則設計了負載慶大霉素的 SF 銀納米粒子（silver nanoparticles，AgNPs）復合支架，該支架的三維結構使其具有良好生物相容性，能夠在不影響細胞成骨能力前提下抑制 MRSA 生長，對慢性骨髓炎的治療具有良好效果。而針對 MRSA 引發的晚期骨髓炎，Zhao 等[43]研發了聚乳酸（polylactic acid，PLA）和 nHA 復合支架并加入 VCM，其能夠長期持續釋放高濃度抗生素，粗糙的表面能夠促進成骨細胞黏附和增殖，對晚期骨髓炎引發的嚴重感染和骨缺損有顯著療效。
目前，不可生物降解的材料搭載抗生素已用于臨床治療慢性骨髓炎，但這些材料需二次手術取出，增加患者痛苦和風險，而其早期產生的爆發性抗生素釋放則會增加患者不良反應發生率[44-45]。因此，通過控制載藥方式和釋放動力建立局部載藥緩釋系統，優化納米生物材料，使其抗菌和骨誘導功能最大化、細胞毒性最小化且能夠生物降解，是目前重要研究方向。見表 2。
表2
局部載藥緩釋系統治療骨髓炎的相關研究
Table2.
Research on local drug delivery system for the treatment of osteomyelitis
3 納米材料的自身作用
納米科技作為組織工程學極為重要的一部分，近年來發展迅速，創造出的納米材料應用于各種生物醫學領域，如藥物輸送、組織再生、抗菌抗炎、基因轉染以及成像技術等[48-50]。納米材料根據成分通常分為人工合成或自然形成，其本質上分為有機材料或無機材料，根據形狀又可分為粒子、球體、管狀和棒狀等[51-52]。功能性納米顆粒是指以一種納米材料為核心，與抗體、熒光團等各種成分相結合，有助于生物成像、疾病診斷以及腫瘤治療等[53-55]。近年來，越來越多研究表明納米材料的自身作用同樣重要，包括誘導細胞分化、調節細胞免疫等，而在骨髓炎治療中，納米材料的自身作用主要體現在促進 MSCs 成骨分化、抑制破骨細胞分化成熟和抗菌作用[56]。以下主要介紹納米材料自身作用在骨髓炎治療中的最新研究進展。
3.1 納米材料促進成骨分化作用
成骨細胞是由 MSCs 分化而來具有骨形成能力的細胞，主要負責骨基質的合成、分泌以及礦化。在骨髓炎病理過程中，新生骨形成對于骨缺損修補至關重要，但已有研究表明金黃色葡萄球菌能夠感染成骨細胞，減弱細胞活力，抑制成骨分化，延遲骨愈合[57-58]。
納米材料在骨再生治療中有著廣泛應用，已有研究證實[56]將生物活性分子與納米材料復合可促進新生骨形成，但目前研究者們更關注納米材料自身對成骨分化是否具有促進作用。Ko 等[59]研究發現 30 nm 和 50 nm 直徑的球形金納米粒子（gold nanoparticles，AuNPs）能夠促進人脂肪干細胞成骨分化，而 15、75 和 100 nm 直徑的 AuNPs 則對成骨分化無明顯影響。基于此研究，Li 等[60]探討了不同大小形態 AuNPs 對成骨分化的影響，他們合成了一系列直徑分別為 40、70 和 110 nm 的球形、星形和棒狀 AuNPs，并用牛血清白蛋白包被以增大其生物相容性。結果顯示 40 nm 球形 AuNPs、70 nm 球形 AuNPs 和 70 nm 棒狀 AuNPs 能顯著提高細胞 ALP 活性和鈣沉積，促進人 MSCs 成骨分化，而 40 nm 棒狀 AuNPs 對成骨分化顯示出抑制作用。同時，Li 等[61]進一步研究發現，直徑<10 nm 的 AuNPs 能夠抑制人 MSCs 成骨分化且促進成脂分化。另一方面，Zhang 等[62]發現 AgNPs 同樣能促進 MSCs 成骨分化，并能通過誘導成纖維細胞遷移、促進 MSCs 增殖和激活 TGF-β/BMP 信號轉導來修補骨缺損。
在關于無機非金屬納米粒子的研究中，Xu 等[63]以針狀、棒狀和片狀 nHA 顆粒為材料，研究其促成骨分化效應。結果發現片狀 nHA 顆粒獨特的層次結構能夠顯著促進細胞內吞效率，并參與肌動蛋白細胞骨架調節，同時激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）信號通路，上調 MSCs 的成骨分化。Elkhenany 等[64]制作了低氧功能化石墨烯納米顆粒，其含氧量（4.5%）較普通石墨烯（2.5%）高，但低于氧化石墨烯（31%）；研究發現其與 MSCs 結合后能夠促進成骨分化，改善大鼠脛骨骨缺損的修復。因此，越來越多研究者利用納米材料促進成骨分化作用制作相應載藥支架，用于治療骨髓炎等骨缺損相關疾病。Hassani Besheli 等[65]將 VCM 與 SF 納米顆粒相結合，并植入大鼠脛骨以治療骨髓炎，結果顯示 SF 納米顆粒承載 VCM 能夠顯著抑制大鼠脛骨骨缺損部位感染，并修復骨缺損區域。以上研究表明，能夠促成骨分化的納米顆粒在骨髓炎治療中具有巨大應用潛力。
3.2 納米材料抑制破骨分化作用
破骨細胞又稱為骨吸收細胞，起源于單核-巨噬細胞系統，在骨生長發育、修復重建中具有重要作用。骨形成與吸收為動態平衡，受多種因素調節，一旦穩態失衡則會引發多種疾病。已有研究報道，金黃色葡萄球菌能夠感染破骨細胞并在細胞內復制，從而逃避感染最初的免疫調節，并加重感染部位骨缺損，促進骨髓炎病情進展[66]。
近年來，雖然許多納米材料被用來制作局部載藥緩釋支架用于骨髓炎治療，但應用抗生素對抗細菌感染的同時，抑制破骨分化延緩局部骨缺損對骨髓炎患者預后同樣重要。因此，大量研究致力于開發新一代納米材料來抑制骨吸收。Sul 等[67]研究表明 AuNPs 能夠減弱 NF-κB 的激活，同時降低 NF-κB 受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor kappa B ligand，RANKL）所誘導的活性氧（reactive oxygen species，ROS）產生并上調谷胱甘肽過氧化物酶 1（glutathione peroxidase 1，Gpx-1），從而抑制破骨細胞分化。同樣，Zeng 等[68]研究發現，AuNPs 能夠抑制 RANKL 誘導的破骨細胞分化，并且能夠抑制巨噬細胞集落刺激因子誘導的破骨前體細胞融合。此外，Bai 等[69]的研究也證實，AuNPs 能夠通過調節破骨細胞的酸性微環境來抑制破骨細胞活性，修復骨缺損。在非金屬納米材料方面，Geng 等[70]發現富勒烯醇納米顆粒同樣能夠抑制 RANKL 的激活，并通過巨噬細胞集落刺激因子和 MAPK 信號通路呈劑量依賴性抑制破骨細胞的遷移與分化。Ha 等[71]在研究中發現，雖然二氧化硅納米顆粒能夠抑制破骨細胞轉錄調節因子 NFATC1 進而抑制破骨細胞分化，但其表面電荷卻是影響破骨細胞生物活性的重要因素，其中表面帶有負電荷的二氧化硅納米顆粒對破骨細胞活性的抑制作用最大。
在對納米顆粒表面結構的研究中，Chen 等[72]研究發現，nHA 顆粒致密的表面層級結構能夠抑制破骨細胞的形成和功能，nHA 顆粒被破骨細胞吸收后能夠減少肌動蛋白形成，減弱細胞融合且增加細胞凋亡。Cicuéndez 等[73]制備了包裹茶多酚的多孔二氧化硅納米微球，并與海藻酸鈉凝膠結合，其能夠中和細菌感染引起的酸性環境，同時抵抗氧化應激；在負承載抗生素前提下，其能夠在細菌感染部位修復骨缺損，在骨髓炎治療方面極具應用潛力。因此，利用自身能夠抑制破骨分化的納米材料作為局部載藥支架并應用于骨髓炎的治療，將是未來重要研究方向。
3.3 納米材料的抗菌作用
細菌感染是骨髓炎的直接病因，也是骨髓炎遷延不愈的最重要因素。因此，部分納米材料憑借其抗菌特性不僅能夠成為藥物載體，還能夠輔助抗生素加強對耐藥菌的殺滅作用，成為近年來研究者們關注的焦點。Penders 等[74]研究表明，直徑為 21 nm 的不同形狀 AuNPs 均對金黃色葡萄球菌呈劑量依賴性殺滅作用，尤其是星形和花狀作用更顯著，并對哺乳動物的重要臟器（肝臟和腎臟）無明顯毒副作用。而另一些研究則表明，AuNPs 對不同細菌的抗菌機制不同，例如在金黃色葡萄球菌中，AuNPs 通過增加細菌內部 ROS 產生并抑制 DNA 轉錄來殺滅細菌[75-76]；在大腸桿菌中，AuNPs 能夠誘導囊泡形成，并與 DNA 結合抑制轉錄來抵抗細菌感染[76-77]；在肺炎鏈球菌中，AuNPs 在細菌內部形成包涵體破壞生物膜來發揮抗菌作用[78]。此外，AuNPs 能夠與抗生素發揮協同作用，Lee 等[79]研究發現 AuNPs 引起細胞內二價陽離子穩態崩潰，抗生素誘導細胞內 ROS 的累積，二者協同作用導致沙門氏菌細胞凋亡樣死亡。
與 AuNPs 相似，AgNPs 同樣具有抗菌作用，并已作為輔助材料應用于臨床。在 Aurore 等[80]的研究中，AgNPs 能夠在破骨細胞中誘導 ROS 產生并殺滅細胞內細菌。基于此研究，Nandi 等[81]于 3 mm 不銹鋼針表面附著不同劑量 AgNPs，分別植入兔脛骨骨髓炎處觀察治療效果，結果顯示鍍銀不銹鋼針尤其是高劑量 AgNPs 組能夠明顯控制感染蔓延，有效治療骨髓炎。
在無機非金屬和聚合納米顆粒研究中，Huang 等[82]制備了直徑 43～205 nm 的球形硒納米粒子（selenium nanoparticles，SeNPs），并研究其耐藥菌株的抗菌能力，其中 81 nm SeNPs 對 MRSA 生長抑制和殺滅作用最強。研究發現 SeNPs 能夠通過降低三磷酸腺苷濃度、提高 ROS 濃度及破壞細菌膜電位抑制細菌生長，發揮抗菌作用。而在另一項研究中，Qadri 等[83]合成了銀銅硼復合納米粒子并用于治療小鼠骨髓炎，結果顯示當劑量為 1 mg/kg 時，無論是靜脈推注還是肌肉注射，該復合納米粒子均表現出良好的抗菌效應且無不良免疫反應。最近，Seo 等[84]研發了一種納米玻璃凝膠，由 200 nm 大小硅酸鹽玻璃（含 Ca2+、Cu2+）顆粒制成，其與水接觸后硬化。研究發現該凝膠能夠持續釋放多種離子（硅酸鹽、Ca2+ 和 Cu2+），刺激 MSCs 成骨分化，促進體內血管生成，且對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌有顯著殺菌效果；該納米玻璃凝膠能夠增強局部骨愈合和抗骨折能力，有效治療大鼠脛骨骨髓炎。
綜上，納米材料的自身作用越來越受到研究者們關注，研發新型抗菌納米材料無論是作為藥物載體還是替代抗生素以規避耐藥風險，都將為骨髓炎的臨床治療提供全新思路。見表 3。
表3
納米材料自身作用的相關研究
Table3.
Research on the function of nanomaterials
4 總結與展望
目前關于骨髓炎的研究較為廣泛，包括病理過程、抗菌機制等，但治療方法卻相對單一，組織工程學的應用為其治療提供了新思路。無論是傳統材料還是新型材料，都可作為藥物載體用于骨髓炎的治療。與傳統材料相比，納米材料具有更高生物相容性、更強藥物吸附性以及可降解吸收無需二次手術等優點，成為研究熱點。近年來，針對納米材料應用于骨髓炎的治療，相較于填充骨缺損和建立載藥系統，研究更關注于納米材料自身特性。雖然利用其自身特性能夠更穩妥地應用于骨髓炎治療，但合成條件、形態大小等諸多因素都會對其自身作用造成影響。另一方面，除上述特性外，具有其他特性的納米材料仍可用于骨髓炎治療，如 AuNPs 能夠誘導巨噬細胞 M2 型極化調節機體免疫等[90]。由此可見，研究納米材料的自身特性，并選擇有益于治療的材料作為藥物載體或替代抗菌藥物治療骨髓炎，將成為未來重要研究方向。
作者貢獻：王珮琳負責文獻檢索及文章撰寫；林浩東負責文章審核。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。
骨髓炎是一種由細菌感染引起的骨質破壞伴或不伴有繼發性骨質增生的炎癥性疾病，包括血源性骨髓炎、創傷后骨髓炎、臨近播散性骨髓炎和糖尿病足感染等。目前骨髓炎治療方法雖多種多樣，但仍以手術治療和抗生素應用為主。傳統治療方案存在諸多缺陷，如大塊骨缺損無法有效填充、靜脈應用抗生素無法達到局部有效濃度及對抗生素耐藥等[1-3]。因此，研發新型材料來實現填補骨缺損、局部釋放抗生素以及輔助殺菌等作用，成為近年來組織工程學的重要研究方向[4]。納米材料是指結構單元尺寸介于 1～100 nm 之間的材料，與普通材料相比具有特殊的理化性質，如較大表面積與質量比、較好力學特性和化學反應性等，能夠更好地吸附和釋放所載藥物[5-6]。與微觀結構相比，表面比和近表面原子數的增加是導致納米材料性質明顯不同的原因。因此，基于納米材料的諸多優點，其可用于設計高特異性材料，并與人體細胞在分子水平上相互作用，以最小副作用實現最大治療效果[7-8]。目前，納米材料主要依靠對骨缺損的填充、局部載藥緩釋系統的建立以及納米材料的自身作用等方面參與骨髓炎的治療。本文主要討論這些因素對骨髓炎治療的影響，總結納米材料應用于骨髓炎治療的最新研究進展。
1 納米材料應用于骨缺損填充
骨缺損多指由各種原因如骨折、感染或癌癥等造成的骨質缺失，在機體自我修復中，具有足夠體積的新生骨是恢復其外觀和功能的必要條件，因此骨缺損的修復主要取決于骨缺損大小，當缺損骨組織大于成骨愈合能力時，比成骨細胞遷移速度更快的纖維結締組織便占據骨缺損區域，引發諸多后遺癥[9]。大面積骨缺損和嚴重細菌感染會損害骨組織的自愈能力，目前常以全身或局部應用抗生素來控制感染，隨后植入骨移植物填補骨缺損，如自體骨和同種異體骨[10]。但這些治療方案耗時長，療效差。為了解決這些問題，人們研發了具有抗菌和骨誘導性能的新型納米生物材料，將抗生素與這些新型材料結合可賦予其抗感染能力[11-12]。
在分子生物學層面，許多生長因子如 FGF、IGF 和 VEGF，能夠顯著促進成骨和血管生成[13]。但只有 BMP 才能在促纖維化微環境中特異性誘導新生骨形成，因此 BMP 可用來研發具有強大骨誘導特性的生物材料[14]。Shen 等[15]以絲素蛋白（silk fibroin，SF）和納米羥基磷灰石（nano hydroxyapatite，nHA）為支架，將 BMP-2 負載到 SF 微球中，然后將該微球包封于 SF/nHA 支架中，再通過物理吸附將 BMP-2 與基質細胞衍生因子 1（stromal-derived factor 1，SDF-1）功能化，構建了一種無細胞骨組織工程系統，能夠以有序和可控的方式植入和釋放細胞因子，以促進細胞募集和骨形成。Wang 等[16]在此基礎上進一步添加了 VEGF，使其能夠以極低劑量緩慢釋放，以此構建了無細胞血管化骨組織工程系統，能夠分別促進骨和血管生成，并成功修復了大鼠顱骨缺損。最近，Mahon 等[17]研發了一種 nHA 顆粒，其能夠使巨噬細胞發生 M2 型極化，激活轉錄因子 cMaf 以特異性增強抗炎細胞因子 IL-10 的產生；他們以此納米顆粒構建的功能化支架成功修復了大鼠股骨缺損。
在骨髓炎相關研究中，Min 等[18]制備了可降解的納米層級生物膜并將其包裹在聚醚醚酮（poly-ether-ether-ketone，PEEK）植入物上，該生物膜涂層結構能夠盡早釋放涂層頂層中的抗生素，消除已形成的細菌生物膜，并在隨后數周內持續釋放抗生素至最低抑菌濃度以上，且底層的 BMP-2 涂層能夠長期持續釋放 BMP-2，從而達到治療骨髓炎的目的。Li 等[19]利用堿熱處理的質子化效應和聚多巴胺的氧化還原性質，在納米鈦表面構建了鍶離子（Sr2+）和銀離子（Ag+）雙重負載納米顆粒。由于不同負載機制，Sr2+ 和 Ag+ 釋放相對獨立，能夠在納米顆粒表面形成抑制細菌生長和促進巨噬細胞 M2 型極化的微環境，并于兔股骨骨髓炎模型中成功修復感染性骨缺損。
目前，將納米材料負載細胞因子后加入復合材料支架中修復骨缺損，成為該領域主要研究方向，這些新型納米生物材料在治療感染性骨缺損方面具有非常廣闊的應用前景。見表 1。
表1
新型納米生物材料修復骨缺損的相關研究
Table1.
Research on new nano biomaterials for repairing bone defects
2 局部載藥緩釋系統的建立
骨髓炎傳統治療的“金標準”是壞死骨和周圍感染組織擴大清創術，隨后行數周抗生素全身治療，且抗生素須長期維持較高濃度，不良反應發生率相應會大大增加[27-28]。然而，由于藥物滲透性差、局部缺血和“髓-血”屏障存在等原因，導致抗生素在骨髓炎相關部位無法達到抗感染所需最低抑菌濃度[29]。此外，對耐藥菌株而言，應用普通抗生素無法達到良好治療效果，而強效抗生素則會產生更強的毒副作用，因此，給藥途徑選擇成為治療耐藥菌株感染的關鍵[30]。
載藥緩釋系統作為局部給藥的介質，能夠在感染部位緩慢釋放抗生素以達到持續最低抑菌濃度，并降低對非目標器官、組織及細胞的傷害，目前廣泛應用于慢性骨髓炎的實驗和臨床治療[31]。Wang 等[32]合成了一種新型二氧化硅微球/nHA/聚氨酯復合支架并加載左氧氟沙星，該新型納米載藥復合支架能夠在骨髓炎局部提供持續有效的抗生素抑菌濃度，并能抑制兔脛骨慢性骨髓炎的發展。Krishnan 等[33]制備了左旋聚乳酸纖維增強的二氧化硅包覆 nHA 明膠復合支架，其具有可生物降解、機械強度高等優勢，其涂層中釋放的硅粒子能夠增強血管與新生骨生成。他們在該支架中加入萬古霉素（vancomycin，VCM）并用于治療大鼠股骨骨髓炎，結果顯示其能夠有效控制感染并修復骨缺損；除構建載藥支架外，他們也嘗試將抗菌藥物負載到納米顆粒表面，借由納米顆粒的獨特性質將抗菌藥物釋放至感染區域。Saidykhan 等[34]以霰石為基礎制備納米顆粒，利用其良好的生物相容性和可降解性質將其作為載體，表面附著 VCM，用于治療耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（methicillin resistant Staphylococcus aureus，MRSA）引發的慢性骨髓炎取得良好效果。在另一項研究中，Tao 等[35]以季銨鹽殼聚糖和羧化殼聚糖納米顆粒為原料，通過正負電荷負載 VCM 形成 VCM 復合納米顆粒，從而提高 VCM 的包封率和載藥量，并在局部持續釋放高濃度 VCM，以達到延緩兔脛骨骨髓炎進展的治療目的。
近年來，在臨床治療骨髓炎過程中，使用何種植入物填充死骨去除后的空腔至關重要。目前廣泛應用的植入物包括抗生素骨水泥、人工骨等，其中抗生素骨水泥最為常見。應用抗生素骨水泥除了能提高治療效果、改善患者關節功能外，還能在很大程度上提高患者生活質量[36]。
為了增強骨水泥抗菌性能，Shen 等[37]以介孔二氧化硅納米顆粒為藥物載體結合聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，不僅能增強骨水泥抗菌性，骨水泥的力學特性也得到很好保留，具有制備強效抗菌骨水泥的巨大潛力。針對目前抗生素骨水泥藥物釋放效率低的問題，Shen 等[38]在聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥中加入中空二氧化硅納米管，形成抗生素納米級釋放網絡，使抗生素釋放率大大提高且抗壓強度保持良好，為骨髓炎的治療提供全新思路。
對于耐藥菌株引發的骨髓炎，如何將藥物有效傳遞至感染部位成為治療關鍵[39-40]。Jiang 等[41]利用 nHA 微丸作為載體負載 VCM，局部注射治療 MRSA 所致慢性骨髓炎，于兔脛骨骨髓炎模型中成功抑制病情進展并修復感染性骨缺損。Zhang 等[42]則設計了負載慶大霉素的 SF 銀納米粒子（silver nanoparticles，AgNPs）復合支架，該支架的三維結構使其具有良好生物相容性，能夠在不影響細胞成骨能力前提下抑制 MRSA 生長，對慢性骨髓炎的治療具有良好效果。而針對 MRSA 引發的晚期骨髓炎，Zhao 等[43]研發了聚乳酸（polylactic acid，PLA）和 nHA 復合支架并加入 VCM，其能夠長期持續釋放高濃度抗生素，粗糙的表面能夠促進成骨細胞黏附和增殖，對晚期骨髓炎引發的嚴重感染和骨缺損有顯著療效。
目前，不可生物降解的材料搭載抗生素已用于臨床治療慢性骨髓炎，但這些材料需二次手術取出，增加患者痛苦和風險，而其早期產生的爆發性抗生素釋放則會增加患者不良反應發生率[44-45]。因此，通過控制載藥方式和釋放動力建立局部載藥緩釋系統，優化納米生物材料，使其抗菌和骨誘導功能最大化、細胞毒性最小化且能夠生物降解，是目前重要研究方向。見表 2。
表2
局部載藥緩釋系統治療骨髓炎的相關研究
Table2.
Research on local drug delivery system for the treatment of osteomyelitis
3 納米材料的自身作用
納米科技作為組織工程學極為重要的一部分，近年來發展迅速，創造出的納米材料應用于各種生物醫學領域，如藥物輸送、組織再生、抗菌抗炎、基因轉染以及成像技術等[48-50]。納米材料根據成分通常分為人工合成或自然形成，其本質上分為有機材料或無機材料，根據形狀又可分為粒子、球體、管狀和棒狀等[51-52]。功能性納米顆粒是指以一種納米材料為核心，與抗體、熒光團等各種成分相結合，有助于生物成像、疾病診斷以及腫瘤治療等[53-55]。近年來，越來越多研究表明納米材料的自身作用同樣重要，包括誘導細胞分化、調節細胞免疫等，而在骨髓炎治療中，納米材料的自身作用主要體現在促進 MSCs 成骨分化、抑制破骨細胞分化成熟和抗菌作用[56]。以下主要介紹納米材料自身作用在骨髓炎治療中的最新研究進展。
3.1 納米材料促進成骨分化作用
成骨細胞是由 MSCs 分化而來具有骨形成能力的細胞，主要負責骨基質的合成、分泌以及礦化。在骨髓炎病理過程中，新生骨形成對于骨缺損修補至關重要，但已有研究表明金黃色葡萄球菌能夠感染成骨細胞，減弱細胞活力，抑制成骨分化，延遲骨愈合[57-58]。
納米材料在骨再生治療中有著廣泛應用，已有研究證實[56]將生物活性分子與納米材料復合可促進新生骨形成，但目前研究者們更關注納米材料自身對成骨分化是否具有促進作用。Ko 等[59]研究發現 30 nm 和 50 nm 直徑的球形金納米粒子（gold nanoparticles，AuNPs）能夠促進人脂肪干細胞成骨分化，而 15、75 和 100 nm 直徑的 AuNPs 則對成骨分化無明顯影響。基于此研究，Li 等[60]探討了不同大小形態 AuNPs 對成骨分化的影響，他們合成了一系列直徑分別為 40、70 和 110 nm 的球形、星形和棒狀 AuNPs，并用牛血清白蛋白包被以增大其生物相容性。結果顯示 40 nm 球形 AuNPs、70 nm 球形 AuNPs 和 70 nm 棒狀 AuNPs 能顯著提高細胞 ALP 活性和鈣沉積，促進人 MSCs 成骨分化，而 40 nm 棒狀 AuNPs 對成骨分化顯示出抑制作用。同時，Li 等[61]進一步研究發現，直徑<10 nm 的 AuNPs 能夠抑制人 MSCs 成骨分化且促進成脂分化。另一方面，Zhang 等[62]發現 AgNPs 同樣能促進 MSCs 成骨分化，并能通過誘導成纖維細胞遷移、促進 MSCs 增殖和激活 TGF-β/BMP 信號轉導來修補骨缺損。
在關于無機非金屬納米粒子的研究中，Xu 等[63]以針狀、棒狀和片狀 nHA 顆粒為材料，研究其促成骨分化效應。結果發現片狀 nHA 顆粒獨特的層次結構能夠顯著促進細胞內吞效率，并參與肌動蛋白細胞骨架調節，同時激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）信號通路，上調 MSCs 的成骨分化。Elkhenany 等[64]制作了低氧功能化石墨烯納米顆粒，其含氧量（4.5%）較普通石墨烯（2.5%）高，但低于氧化石墨烯（31%）；研究發現其與 MSCs 結合后能夠促進成骨分化，改善大鼠脛骨骨缺損的修復。因此，越來越多研究者利用納米材料促進成骨分化作用制作相應載藥支架，用于治療骨髓炎等骨缺損相關疾病。Hassani Besheli 等[65]將 VCM 與 SF 納米顆粒相結合，并植入大鼠脛骨以治療骨髓炎，結果顯示 SF 納米顆粒承載 VCM 能夠顯著抑制大鼠脛骨骨缺損部位感染，并修復骨缺損區域。以上研究表明，能夠促成骨分化的納米顆粒在骨髓炎治療中具有巨大應用潛力。
3.2 納米材料抑制破骨分化作用
破骨細胞又稱為骨吸收細胞，起源于單核-巨噬細胞系統，在骨生長發育、修復重建中具有重要作用。骨形成與吸收為動態平衡，受多種因素調節，一旦穩態失衡則會引發多種疾病。已有研究報道，金黃色葡萄球菌能夠感染破骨細胞并在細胞內復制，從而逃避感染最初的免疫調節，并加重感染部位骨缺損，促進骨髓炎病情進展[66]。
近年來，雖然許多納米材料被用來制作局部載藥緩釋支架用于骨髓炎治療，但應用抗生素對抗細菌感染的同時，抑制破骨分化延緩局部骨缺損對骨髓炎患者預后同樣重要。因此，大量研究致力于開發新一代納米材料來抑制骨吸收。Sul 等[67]研究表明 AuNPs 能夠減弱 NF-κB 的激活，同時降低 NF-κB 受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor kappa B ligand，RANKL）所誘導的活性氧（reactive oxygen species，ROS）產生并上調谷胱甘肽過氧化物酶 1（glutathione peroxidase 1，Gpx-1），從而抑制破骨細胞分化。同樣，Zeng 等[68]研究發現，AuNPs 能夠抑制 RANKL 誘導的破骨細胞分化，并且能夠抑制巨噬細胞集落刺激因子誘導的破骨前體細胞融合。此外，Bai 等[69]的研究也證實，AuNPs 能夠通過調節破骨細胞的酸性微環境來抑制破骨細胞活性，修復骨缺損。在非金屬納米材料方面，Geng 等[70]發現富勒烯醇納米顆粒同樣能夠抑制 RANKL 的激活，并通過巨噬細胞集落刺激因子和 MAPK 信號通路呈劑量依賴性抑制破骨細胞的遷移與分化。Ha 等[71]在研究中發現，雖然二氧化硅納米顆粒能夠抑制破骨細胞轉錄調節因子 NFATC1 進而抑制破骨細胞分化，但其表面電荷卻是影響破骨細胞生物活性的重要因素，其中表面帶有負電荷的二氧化硅納米顆粒對破骨細胞活性的抑制作用最大。
在對納米顆粒表面結構的研究中，Chen 等[72]研究發現，nHA 顆粒致密的表面層級結構能夠抑制破骨細胞的形成和功能，nHA 顆粒被破骨細胞吸收后能夠減少肌動蛋白形成，減弱細胞融合且增加細胞凋亡。Cicuéndez 等[73]制備了包裹茶多酚的多孔二氧化硅納米微球，并與海藻酸鈉凝膠結合，其能夠中和細菌感染引起的酸性環境，同時抵抗氧化應激；在負承載抗生素前提下，其能夠在細菌感染部位修復骨缺損，在骨髓炎治療方面極具應用潛力。因此，利用自身能夠抑制破骨分化的納米材料作為局部載藥支架并應用于骨髓炎的治療，將是未來重要研究方向。
3.3 納米材料的抗菌作用
細菌感染是骨髓炎的直接病因，也是骨髓炎遷延不愈的最重要因素。因此，部分納米材料憑借其抗菌特性不僅能夠成為藥物載體，還能夠輔助抗生素加強對耐藥菌的殺滅作用，成為近年來研究者們關注的焦點。Penders 等[74]研究表明，直徑為 21 nm 的不同形狀 AuNPs 均對金黃色葡萄球菌呈劑量依賴性殺滅作用，尤其是星形和花狀作用更顯著，并對哺乳動物的重要臟器（肝臟和腎臟）無明顯毒副作用。而另一些研究則表明，AuNPs 對不同細菌的抗菌機制不同，例如在金黃色葡萄球菌中，AuNPs 通過增加細菌內部 ROS 產生并抑制 DNA 轉錄來殺滅細菌[75-76]；在大腸桿菌中，AuNPs 能夠誘導囊泡形成，并與 DNA 結合抑制轉錄來抵抗細菌感染[76-77]；在肺炎鏈球菌中，AuNPs 在細菌內部形成包涵體破壞生物膜來發揮抗菌作用[78]。此外，AuNPs 能夠與抗生素發揮協同作用，Lee 等[79]研究發現 AuNPs 引起細胞內二價陽離子穩態崩潰，抗生素誘導細胞內 ROS 的累積，二者協同作用導致沙門氏菌細胞凋亡樣死亡。
與 AuNPs 相似，AgNPs 同樣具有抗菌作用，并已作為輔助材料應用于臨床。在 Aurore 等[80]的研究中，AgNPs 能夠在破骨細胞中誘導 ROS 產生并殺滅細胞內細菌。基于此研究，Nandi 等[81]于 3 mm 不銹鋼針表面附著不同劑量 AgNPs，分別植入兔脛骨骨髓炎處觀察治療效果，結果顯示鍍銀不銹鋼針尤其是高劑量 AgNPs 組能夠明顯控制感染蔓延，有效治療骨髓炎。
在無機非金屬和聚合納米顆粒研究中，Huang 等[82]制備了直徑 43～205 nm 的球形硒納米粒子（selenium nanoparticles，SeNPs），并研究其耐藥菌株的抗菌能力，其中 81 nm SeNPs 對 MRSA 生長抑制和殺滅作用最強。研究發現 SeNPs 能夠通過降低三磷酸腺苷濃度、提高 ROS 濃度及破壞細菌膜電位抑制細菌生長，發揮抗菌作用。而在另一項研究中，Qadri 等[83]合成了銀銅硼復合納米粒子并用于治療小鼠骨髓炎，結果顯示當劑量為 1 mg/kg 時，無論是靜脈推注還是肌肉注射，該復合納米粒子均表現出良好的抗菌效應且無不良免疫反應。最近，Seo 等[84]研發了一種納米玻璃凝膠，由 200 nm 大小硅酸鹽玻璃（含 Ca2+、Cu2+）顆粒制成，其與水接觸后硬化。研究發現該凝膠能夠持續釋放多種離子（硅酸鹽、Ca2+ 和 Cu2+），刺激 MSCs 成骨分化，促進體內血管生成，且對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌有顯著殺菌效果；該納米玻璃凝膠能夠增強局部骨愈合和抗骨折能力，有效治療大鼠脛骨骨髓炎。
綜上，納米材料的自身作用越來越受到研究者們關注，研發新型抗菌納米材料無論是作為藥物載體還是替代抗生素以規避耐藥風險，都將為骨髓炎的臨床治療提供全新思路。見表 3。
表3
納米材料自身作用的相關研究
Table3.
Research on the function of nanomaterials
4 總結與展望
目前關于骨髓炎的研究較為廣泛，包括病理過程、抗菌機制等，但治療方法卻相對單一，組織工程學的應用為其治療提供了新思路。無論是傳統材料還是新型材料，都可作為藥物載體用于骨髓炎的治療。與傳統材料相比，納米材料具有更高生物相容性、更強藥物吸附性以及可降解吸收無需二次手術等優點，成為研究熱點。近年來，針對納米材料應用于骨髓炎的治療，相較于填充骨缺損和建立載藥系統，研究更關注于納米材料自身特性。雖然利用其自身特性能夠更穩妥地應用于骨髓炎治療，但合成條件、形態大小等諸多因素都會對其自身作用造成影響。另一方面，除上述特性外，具有其他特性的納米材料仍可用于骨髓炎治療，如 AuNPs 能夠誘導巨噬細胞 M2 型極化調節機體免疫等[90]。由此可見，研究納米材料的自身特性，并選擇有益于治療的材料作為藥物載體或替代抗菌藥物治療骨髓炎，將成為未來重要研究方向。
作者貢獻：王珮琳負責文獻檢索及文章撰寫；林浩東負責文章審核。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。
