侵權投訴
訂閱
糾錯
加入自媒體

酸奶中的益生菌如何與骨外科手術聯系在一起?

2020-11-24 10:40
學術頭條
關注

作為很多人的心頭好,酸奶稱得上是一種美味、健康兼得的飲品。它不僅保留了牛奶本身的香濃和營養,而且因為經歷了發酵過程而擁有酸甜可口、易消化吸收的特點。不僅如此,酸奶中含有的益生菌已被證實有益人體消化系統健康,甚至可以被用于治療或緩解消化道疾病。

然而,你能想到酸奶還能為改良骨外科手術帶來啟發嗎?

最近,來自湖北大學、天津大學、西安交通大學、北京大學、香港大學和華中科技大學的研究團隊從酸奶中的一種益生菌“身上”找到了靈感。

他們通過在鈦種植體表面培養干酪乳桿菌得到了菌膜覆蓋的改良種植體,并驗證了改良種植體具有抵抗致病菌感染、促進骨結合的作用,以及應用于骨外科種植體手術的潛力。相關工作以“Engineered probiotics biofilm enhances osseointegration via immunoregulation and anti-infection”為題,于 11 月 13 日發表在《科學進展》(Science Advances)雜志上。

(來源:Science Advances)

用菌膜改良種植體的設想

那么,問題來了,研究人員是如何將酸奶中的益生菌與骨外科手術聯系在一起的?

骨外科手術是修復嚴重骨折、骨骼畸形的必要方法。骨外科手術中常使用金屬種植體(implant)固定損傷的骨骼,來輔助骨骼愈合或維持正常的骨骼形態。種植體在植入人體后需要能夠與骨骼形成骨結合(osseointegration),即種植體和骨骼直接接觸形成骨組織連接,而之間沒有任何其他組織間隔。因此,種植體材料通常為生物相容性好的金屬,比如鈦和鈦合金。

在骨外科種植體手術中,種植體與人體組織連接處的致病菌感染和成骨活性不足是導致手術失敗、康復緩慢的兩個主要因素,這些情況的發生也會增加醫療成本和患者的病痛。

為解決這兩個難題,現有方案通常會使用抗生素類藥物或重金屬復合抗菌材料(如銀鋅復合材料),來預防致病菌感染;使用骨肽和生長因子等促成骨藥物進行輔助。

然而,這些方案遠非最優解:抗生素類藥物有破壞人體有益菌群、導致多重感染、產生耐藥病菌的風險;重金屬具有生物毒性,與種植體生物相容性的要求相悖;而外源添加促成骨因子則需要精細設計和嚴格配比,使用起來也并不簡便。

如果換一種思路,從種植體方面進行改良又如何?

針對前文提出的問題,理想的種植體應該相應地滿足兩個條件:

(1)具有較高的生物活性,能夠促進骨骼組織的生成,使種植體和骨骼可以較快地產生骨結合;

(2)具有抵抗耐藥性致病菌感染的能力,能夠防止術中和術后感染。

于是,研究人員把目光轉向了在醫學研究中越來越受到重視的微生物,更具體地說,是已經被廣泛用于食品工業中、對人體安全且有益的一類微生物——益生菌。

眾所周知,益生菌在人體內扮演著維持消化道健康的重要角色,具有消殺致病菌、調節宿主消化和免疫系統的作用。因此,益生菌被廣泛應用于治療多種消化道疾病,比如炎癥性腸道疾病、腸易激綜合征、感染性腹瀉等。此外,益生菌還能應用于改善炎癥性疾病和促進組織再生。

但是,活菌進入血液可能帶來菌血癥和敗血癥的風險,所以大部分益生菌必須口服攝入,這給臨床應用帶來了局限性。

作為“健康三益菌”之一,干酪乳桿菌(Lactobacillus casei, L. casei)是酸奶中常見的益生菌,在酸奶發酵工業中被廣泛使用。它可以產生細菌素、乳酸、過氧化氫等抗菌物質,且對于多種致病菌都展現出了優秀的抗菌性能。同時,它的細胞壁還含有肽聚糖、脂磷壁酸等物質,能夠調節人體免疫系統。但是,出于對敗血癥風險的擔憂,此前的研究還未探索過將干酪乳桿菌應用于外科手術的可行性。

種植體植入人體后,會引起異體排斥反應和初步炎癥反應。在這個過程中,人體巨噬細胞(Macrophage)會聚集在種植體表面。巨噬細胞的活動對于調節炎癥反應和組織再生具有重要作用,它們能夠分泌成骨因子,如抑癌蛋白M(oncostatin M, OSM)。成骨因子能誘導間充質干細胞(mesenchymal stem cells, MSCs)成骨分化,促進骨組織生成、種植體和骨骼產生骨融合。而多糖(如脂多糖)能夠激活巨噬細胞表面的相關受體(Toll-like receptor, TLR),使巨噬細胞產生成骨因子。

細菌附著在物體表面,進行繁殖、分化和分泌胞外基質,形成有組織的膜狀聚集體,稱為“菌膜”(biofilm)。菌膜主要由細菌和其周圍的胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)基質組成,而干酪乳桿菌的細胞壁和EPS中都含有脂多糖。

研究者們設想,在種植體表面覆蓋一層干酪乳桿菌菌膜進行改良,植入后巨噬細胞聚集在種植體周圍,而種植體表面的菌膜中含有的多糖就可以刺激巨噬細胞產生成骨因子,促進骨融合。

圖 | 主要實驗設想(來源:Science Advances)

在種植體表面覆蓋一層干酪乳桿菌菌膜,在安全無害的同時,還應該具有抗耐藥性致病菌和促進骨結合的功能。這正是改良種植體、解決手術難題的可能方案。

為種植體“鍍”上一層安全菌膜

研究人員用堿熱處理的鈦(AHT-Ti)種植體作為培養基質,在其表面培養干酪乳桿菌,培養時長為3天,使種植體表面覆蓋干酪乳桿菌菌膜。堿熱處理的作用是使鈦種植體表面生物活性增加,利于生物細胞的黏附和增殖,促進菌膜的形成和種植體骨結合,即“活化”。

如何解決活細菌進入血液導致敗血癥的風險呢?研究人員對覆蓋菌膜的種植體進行了短時間紫外線輻射滅活,在殺死細菌的同時保留了菌膜中的活性物質。對滅活后的菌膜進行活性檢驗染色(活菌呈綠色,死菌呈紅色),染色后的菌膜呈現紅色熒光(如下圖C),說明菌膜中的細菌被成功滅活。

通過這種方式,研究人員成功得到了干酪乳桿菌菌膜覆蓋的活化鈦種植體(L. casei-AHT-Ti)。

圖 | L. casei-AHT-Ti的表面(來源:Science Advances)

此外,為驗證菌膜是否“不懼”耐藥性致病菌,研究人員選用了目前臨床手術中常見的廣譜耐藥性致病菌——耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌(MRSA)進行了測試。

實驗用未活化的鈦種植體、堿熱處理活化的鈦種植體作為活化鈦種植體的兩個對照組。在三組種植體上分別接種MRSA進行培養,每2個小時測量一次菌液的光密度(optical density, OD),共培養12小時。用得到的數據繪制OD曲線(如下圖E)。

圖 | 抗MRSA性能測試(來源:Science Advances)

OD數值越大,菌液中細菌濃度越高、數量越多,說明MRSA增殖越活躍,種植體樣本的抗致病菌性能越差。從OD曲線圖中可以看出,在12小時的培養過程中,活化鈦種植體的OD曲線明顯低于鈦種植體、堿熱處理活化的鈦種植體,這說明活化鈦種植體在抑制MRSA的能力方面表現更佳。在后續的涂布平板實驗中,活化鈦種植體的MRSA菌落數量更是比其他兩者減少了三個數量級,抗MRSA的效率達到了驚人的99.98%。

但是,從圖F又可以看出,菌膜培養時間為1天和2天的堿熱處理鈦種植體(L. casei-AHT-Ti-1、L. casei-AHT-Ti-2)相比于菌膜培養時間為3天的L. casei-AHT-Ti抗菌性能明顯下降。研究人員檢測了菌膜中抗菌活性物質乳酸(Lactic acid)和過氧化氫(H2O2)的含量,發現乳酸含量有明顯的減少。通過SDS-PAGE檢測抗菌活性物質細菌素(bacteriocin)的分泌量,發現L. casei-AHT-Ti最高。根據這些結果推測,乳酸和細菌素可能是L. casei-AHT-Ti發揮抗菌性能的主要功能物質。

“喚醒”巨噬細胞、“推進”成骨分化

為驗證L. casei-AHT-Ti是否有激活巨噬細胞(Macrophage)的性能,研究人員進行了多項實驗。

研究人員首先對三組種植體樣本表面的巨噬細胞進行DAPI(呈藍色)和FITC-phalloidin(呈紅色)染色,以觀察種植體表面分布的巨噬細胞的形態和生存能力(如下圖A、B),。結果顯示,L. casei-AHT-Ti表面的巨噬細胞與對照組相比無明顯差異,這說明L. casei-AHT-Ti對巨噬細胞沒有毒性。

之后,研究人員用RT-PCR分別檢測了三組種植體樣本表面巨噬細胞的成骨因子OSM、促炎癥因子TNF-α、抑炎癥因子IL-10的表達量(如下圖C、D、E)。OSM、TNF-α、IL-10能誘導間充質干細胞和成骨細胞的骨性分化?梢园l現,L. casei-AHT-Ti表面巨噬細胞表達OSM、TNF-α、IL-10相比對照組都有明顯增多。由此可以推測,L. casei-AHT-Ti可能具有激活巨噬細胞分泌成骨過程相關細胞因子的作用。

圖 | 激活巨噬細胞性能測試(來源:Science Advances)

除此之外,研究人員還發現L. casei-AHT-Ti表面巨噬細胞的多個成骨細胞分化相關基因表達上調(如下圖B、C),其中包括能與菌膜中的多糖結合激活巨噬細胞的脂多糖受體CD14,與巨噬細胞生產OSM相關的COX2、PGE2、EPR,以及調控炎癥反應的IL-1b、IL-6、TNF-α、IL-10。

據此,研究人員提出了L. casei-AHT-Ti激活巨噬細胞、促進骨生成的完整過程(下圖D):干酪乳桿菌菌膜與巨噬細胞接觸,菌膜中的脂多糖與巨噬細胞膜上的CD14結合,激活TLR,促使巨噬細胞產生促炎癥因子IL-1b、IL-6、TNF-α和生產OSM相關的COX2、PGE2、EPR,促進初步炎癥反應和成骨因子OSM的生成,刺激成骨細胞分化。

圖 | 促使巨噬細胞產生骨誘導細胞因子(來源:Science Advances)

成骨因子的分泌量增加后,能否成功誘導間充質干細胞骨性分化?為了驗證這一點,研究人員用三組樣本的巨噬細胞培養溶液分別對間充質干細胞進行孵育,成功證明了L. casei-AHT-Ti能夠在體外實驗條件下增加間充質干細胞成骨分化。

具備應用于骨外科手術的潛力

但是,要想證明L. casei-AHT-Ti有應用于骨外科手術的潛力,僅有體外實驗作為支持是不夠的。于是,研究人員用大鼠進行了每組樣本量為3的體內實驗,他們給脛骨骨折的大鼠分別手術植入了三種種植體,并添加了一組在術中在種植處添加MRSA的實驗,以檢驗大鼠體內條件下不同種植體的骨結合和抗致病菌性能。

實驗結果表明,在體內條件下,L. casei-AHT-Ti也展現出比兩組對照種植體更優的性能。

在添加MRSA的術后12小時進行的涂布平板實驗中,L. casei-AHT-Ti相比于Ti的抗MRSA效率為98.1%,;根據無菌條件術后4周進行的三維顯微CT計算骨體積分數(BV/TV),以及根據VG固定染色計算骨面積比率(bone area ratio),L. casei-AHT-Ti的數值都顯著高于兩組對照種植體。這些結果證明了,L. casei-AHT-Ti在體內實驗條件下具有抵抗致病菌感染和促進骨生成、骨結合的性能。

以上結果表明,L. casei-AHT-Ti在體外和大鼠體內都具有抗耐藥性致病菌MRSA和激活巨噬細胞、促進成骨分化和骨結合的作用。用干酪乳桿菌菌膜改良鈦種植體的成功嘗試,為骨外科手術提供了一條安全性高、富有潛力的新思路。

那么,你是否看好酸奶益生菌這樣“硬核”的打開方式?


聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權或其他問題,請聯系舉報。

發表評論

0條評論,0人參與

請輸入評論內容...

請輸入評論/評論長度6~500個字

您提交的評論過于頻繁,請輸入驗證碼繼續

暫無評論

暫無評論

文章糾錯
x
*文字標題:
*糾錯內容:
聯系郵箱:
*驗 證 碼:

粵公網安備 44030502002758號

重庆时时彩app安卓系统 辽宁11选5 ag电子竞技俱乐部报名 ds视讯厅 竞彩足球胜平负 山西11选5走势图表分析 国内期货行情分析 中国现金棋牌赌博网站 微信麻将系统让你胡 3d已出号码查询 急速赛车3D安卓 比特币官网客户端下载 腾讯麻将官网下载 江苏时时彩诈骗 安徽25选5开奖走势图 nba胜分差推荐 大赢家比分直播_大赢家比分直播-首页大赢家比分直播