抗生素水泥用于预防手术后骨感染

每年有70万人死于抗生素耐药性。不幸的是，不断增长的全球人口对现有的抗生素治疗方法产生了越来越大的耐药性——随着开发新抗生素的商业动机下降，这一威胁已被资金不足和灵感减少所应对。一项由来自布莱根妇女医院(美国)的创始成员之一布里格姆将军通过一种新颖的、跨学科的方法来构建一个强大的、计算机程序生成的抗生素库，并确定一种用于骨水泥基质的有效抗生素，以解决抗生素开发中的这一日益严重的问题。这种方法可能被用于治疗骨感染，这是外科矫形手术后常见的并发症。他们的研究结果发表在自然生物医学工程．

“目前，美国食品和药物管理局(FDA)只批准了含有最初不是为骨组织开发的抗生素的骨水泥，”该项目联合主任Hae Lin Jang博士说布里格姆工程治疗中心先进生物材料和生物技术开发实验室的首席研究员。“除了不是骨组织特异性的，对这些抗生素的耐药性已经出现。我们必须创造新一代抗生素，以满足这种新出现的需求。”

与抗生素耐药性日益加剧的斗争，与同样日益增长的人口老龄化融合在一起，现在比以往任何时候都需要更多的矫形手术。常见的手术如膝关节和髋关节置换术会导致细菌感染，例如葡萄球菌,目前用全身性抗生素治疗。全身接触抗生素并不能精确地针对感染;因此，需要大剂量，导致耐药性和有益菌群破坏的意外后果。为了解决这个日益严重的问题，来自布莱根大学的研究人员合作医学系和矫形外科目的是创造一种局部递送的抗生素和骨水泥的有效组合。

为了设计一种新的抗生素，通过骨水泥基质进行特定的局部递送，使用了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥-公认的FDA金标准。该团队列出了用于抗生素设计的分子，并在临床前模型中筛选了药物敏感和耐药细菌。最后，研究小组比较了临床使用的PMMA骨水泥和新的抗生素负载PMMA骨水泥使用预防和建立葡萄球菌的-感染胫骨损伤模型。

研究人员通过研究其在细胞和动物模型中的活性和疗效，确定了双作用抗生素VCD-077。VCD-077不仅在不影响PMMA骨水泥稳定性的情况下表现出理想的药物释放动力学，而且还对广泛的耐药细菌链表现出高效，并减缓了未来耐药的发展。事实上，vcd -077负载PMMA骨水泥表现出比目前使用的所有抗生素负载骨水泥更强的疗效葡萄球菌的大鼠骨感染模型。

在临床应用之前，该团队必须面对两个主要的限制:所研究的大鼠模型与人类之间的潜在差异，以及必要的毒性研究。但是，研究人员指出，组织特异性、局部治疗的前景是光明的，比如微创注射抗生素骨水泥。从开发阶段开始关注组织特异性以及药物和设备之间的相互作用，可以帮助设计精确发挥作用的治疗方案，而不会使耐药性持续存在。此外，该团队利用计算机工程寻找分子并优化抗生素设计的新应用取得了巨大成功，这表明计算机编程和人工智能技术有潜力简化药物开发。

“未来在于将人工智能和药物发现结合起来，使新抗生素的开发比以往任何时候都更高效、更经济，”该研究的联合负责人、联合通讯作者Shiladitya Sengupta博士说布里格姆工程治疗中心．“我们方法的跨学科性和药物开发的特异性将真正带来一种新的医学工程范式。”

张说:“治疗可能变得越来越复杂，细菌可能变得越来越复杂，但我们生物医学工程师也变得越来越复杂。”

参考:高希，李志强，李志强，等。一种抗葡萄球菌骨感染的强效抗生素骨水泥植入物。Nat Biomed Eng．2022:1-16。doi:10.1038 / s41551 - 022 - 00950 - x

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