协同作用的声音动力学与离子干扰疗法有效治疗骨髓炎，并促进神经与骨细胞的再生

《Biomaterials》：Synergistic Sonodynamic and Ion-Interference Therapy Effectively Treats Osteomyelitis and Promotes Neural and Osteogenic Regeneration

针对骨炎治疗中细菌清除不彻底、炎症持续及骨再生受损的问题，本研究开发了一种基于镓掺杂核黄素（Ga-VB?）的多功能纳米平台，通过超声动力疗法和离子干扰协同作用实现高效抗菌，同时促进骨和神经修复。实验证实，Ga3+通过干扰铁代谢抑制细菌，并增强超声诱导的活性氧生成，有效清除病原体并减轻炎症。体外和体内实验表明，Ga-VB?具有良好生物相容性，可协同促进骨再生和神经修复，为耐药骨炎治疗提供新策略。

　　

朱正伟|马素双|马继志|李炯亮|李文成|王嘉颖|郑登文|余翔|彭峰|华中

南方医科大学第五附属医院骨科，广州，510900，中国

摘要

骨髓炎仍然是一个严峻的临床挑战，原因是细菌清除不完全、炎症持续存在以及骨再生受损，而抗生素的过度使用加速了多重耐药性的出现。为了解决这些问题，我们开发了一种基于掺镓核黄素（Ga-VB₂）的多功能纳米平台，该平台将声动力疗法与离子干扰结合在一起，用于综合治疗骨髓炎。理论计算表明，掺镓使VB₂成为一种供体-受体系统，增强了水吸附和电荷分离，从而提高了其声动力活性。Ga³⁺会与铁依赖性酶和蛋白质竞争性结合，但与Fe³⁺不同，它是一种稳定的三价离子，不会参与氧化还原反应，从而破坏细菌的关键代谢过程。抗菌实验证实，掺镓赋予了材料内在的抗菌活性，并且在超声照射下这种活性显著增强。原核生物RNA-seq分析显示，超声激活Ga-VB₂后，基因表达发生了全局性重编程，表现为与能量代谢相关的基因显著下调，而与应激适应相关的基因上调。除了抗菌效果外，体外和体内实验均表明，Ga-VB₂具有优异的生物相容性，同时能够减轻炎症、促进骨再生和支持神经修复。总体而言，这项工作突显了Ga-VB₂作为一种多功能治疗平台的潜力，它将抗菌活性与骨再生能力相结合，为治疗耐药性骨髓炎及相关骨缺损提供了有希望的策略。

引言

骨髓炎是一种影响骨骼及其结构的炎症性疾病，通常由细菌感染引起[1]。近几十年来，全球骨髓炎的发病率显著上升。例如，在德国，2008年至2018年间，骨髓炎的发病率从每10万人中的15.5例增加到16.7例，增长了10.44%[2]。目前，骨髓炎的治疗主要依赖于手术清创和抗生素联合使用[3]。然而，在治疗过程中仍存在一些挑战。由于细菌的侵袭性，手术清创往往无法完全清除骨髓中的病原体，导致感染复发[4]。此外，持续的感染和炎症不仅会对骨组织造成结构损伤，还会损害局部神经，从而影响组织修复和功能重建[5]。此外，抗生素的广泛使用加速了多重耐药菌的出现[6]，使治疗更加复杂。因此，迫切需要开发新的功能性材料，以清除细菌感染、调节炎症、修复神经组织并再生骨组织，以满足这种疾病的复杂治疗需求。

近年来，纳米技术的快速发展彻底改变了智能抗菌材料在骨髓炎治疗中的应用，特别是基于纳米材料的外源性刺激响应策略，如近红外光、磁场、电流和超声波（US）[7]、[8]、[9]。这些策略显示出了巨大的潜力。其中，超声波因其出色的组织穿透能力，特别适合精确治疗深部感染部位，如骨髓腔[10]、[11]。超声波刺激可以加速某些纳米材料中电子和空穴的有效分离。产生的电子可以与周围环境中的氧气或水分子反应，生成羟基自由基（·OH）或超氧阴离子（·O₂^-），这些都是活性氧（ROS）[11]。这些高氧化性的物质可以破坏细菌细胞膜、蛋白质和DNA，诱导细胞凋亡或坏死，从而实现高效的抗菌效果。例如，何等人开发了一种基于肖特基结的声敏剂（VSM），由VS₄和MXene组成，结合了VS₄的过氧化物酶活性和MXene的优异电子导电性[12]。在超声波刺激下，该系统能生成高效的ROS。然而，钒（V）作为一种过渡金属离子，过量释放或长期暴露时可能会引起神经毒性、肝肾负担甚至遗传毒性[13]、[14]。相比之下，小分子声敏剂如卟啉具有较高的生物安全性，但激活效率较低[15]。由于它们的能级间隙狭窄和电子转移能力弱，超声波激发不足，导致ROS产量低，抗菌效果不理想。此外，仅依靠ROS进行抗菌也存在局限性，因为ROS的半衰期较短，容易被迅速消耗或中和[16]、[17]。因此，在结合声动力疗法（SDT）的同时确保生物安全性，可能会提供一种更安全、更有效的治疗骨髓炎的方法[18]、[19]。

铁（Fe）是细菌能量代谢和信号传导中的必需元素，在支持多种氧化还原酶和ATP生成途径中起着关键作用。细菌通常通过铁载体获取Fe³⁺，然后在细胞内将其还原为Fe²⁺以维持正常代谢。因此，干扰细菌对铁的吸收可以阻断其能量代谢并诱导细菌死亡，这种策略称为离子干扰介导的抗菌作用。Ga³⁺由于在离子半径、电离势和电负性方面与Fe³⁺相似，可以被细菌识别并主动摄取，就像铁一样[20]。一旦进入细胞，Ga³⁺会与铁依赖性酶和蛋白质竞争性结合，干扰铁依赖性的能量代谢和ATP合成[21]、[22]。Ga³⁺不仅在抗菌治疗中起关键作用，还在组织再生中表现出多种生物效应。研究表明，Ga³⁺可以抑制破骨细胞的活化，减缓骨吸收，并促进间充质干细胞的成骨分化[23]，表现为ALP活性增加和矿化结节形成增强[24]、[25]。此外，Ga³⁺还可以调节局部免疫微环境，减少炎症，从而协同促进骨组织修复和再生。此外，研究发现Ga的掺入总体上可以促进神经细胞的生长和发育，表明其在神经再生中的潜在作用[25]。最近有报道将基于Ga的声敏剂系统与铁代谢干扰结合用于骨髓炎治疗[26]。然而，大多数现有平台依赖于Ga和传统敏剂的共递送/封装，主要侧重于感染清除；敏剂级别的电子优化和下游的神经-成骨再生研究还不够充分。

在此，我们基于新兴的离子干扰增强型SDT策略[26]，开发了一种多功能治疗平台，将超声触发的SDT与Ga介导的离子干扰相结合（图1），旨在实现协同抗菌效果，同时重新编程局部炎症环境以支持骨再生和神经修复。具体来说，我们制备了掺镓核黄素（Ga-VB₂）纳米材料，其中核黄素（VB₂作为生物相容的声敏支架，而Ga³⁺可以通过铁摄取途径被细菌错误地内化，从而干扰铁依赖的代谢。同时，Ga的掺入预计会改变VB₂的电子结构，提高超声触发的ROS生成，从而增强按需的抗菌作用。此外，Ga相关的生物活性和免疫调节提供了额外的再生机制，共同实现了从感染控制到微环境正常化，最终到神经-骨修复的逐步治疗效果。

Ga-VB₂纳米材料的表征

首先通过TEM观察了制备样品的形态和微观结构。如图1a所示，Ga-VB₂纳米材料呈现出长度在亚100纳米到几百纳米范围内的细长纳米棒状结构。高分辨率TEM图像进一步显示了清晰的晶格条纹，间距为2.89 ?（图1b），证实了材料的晶体性质。元素映射（图1c）显示C、N、O和Ga在纳米结构中的均匀分布，

结论

总结来说，我们开发了一种多功能Ga-VB₂纳米材料，它将超声激活的声动力疗法与Ga³⁺介导的代谢干扰相结合。在超声照射下，Ga-VB₂能够产生大量的ROS，破坏细菌膜完整性，从而高效清除S. aureus。同时，作为Fe³⁺的模拟物，Ga³⁺可以通过铁摄取途径被细菌错误地内化，干扰铁依赖的代谢

材料制备

制备了2 mg/mL的氢氧化钠溶液（200 mL），加入500 mg的核黄素（VB₂并搅拌至溶解。随后加入2.5 g的硝酸镓，继续搅拌24小时。所得产物用超纯水洗涤三次，并通过离心（11,000 rpm，每次10分钟）进行分离。

材料表征

通过透射电子显微镜（TEM）对Ga-VB₂的形态和元素分布进行了表征。还进行了X射线衍射（XRD）分析以获取更多信息

CRediT作者贡献声明

余翔：资源获取、研究、资金筹集。郑登文：研究。华中：撰写-审稿与编辑、监督、项目管理、资金筹集、概念构思。彭峰：撰写-审稿与编辑、监督、项目管理、资金筹集、概念构思。朱正伟：撰写-初稿撰写、数据可视化、研究、数据管理、概念构思。马继志：研究、数据管理。马素双：研究、数据

利益冲突声明

所有作者均已阅读并批准了手稿，且该手稿尚未提交给其他期刊发表。我们声明不存在利益冲突。

数据可用性

数据可向相应作者索取。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52371252和82372375）、广东省中医药局科学研究项目（20251107）以及广州中医药大学第一附属医院青年和中青年骨干人才培养项目（2023QY13）的财政支持。