骨水泥（Bone cement）是一种骨质填充剂，成分是聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate, PMMA），自 1960 年代开始主要被使用于髋、膝、肩和肘等关节的等人工关节置换手术，以及治疗“脊椎压迫性骨折”，如今骨水泥是一种广泛使用的植入物固定方法。
然而，人工关节感染，是临床上少见却是相当棘手的问题，以美国为例，在美国人工关节感染率约为 1% ，而因感染导致人工关节失败需再手术的比例，在髋关节为 14.8% ，在膝关节甚至高达 25.2% ，足见感染造成的重大影响。为避免关节置换术后伤口感染，部份医师会在手术时将抗生素加入骨水泥内，以期降低术后深部感染率。
但过去因抗生素滥用，进而造成细菌耐药性。在＜Lancet＞迄今为止规模最大的一项研究显示， 2019 年全球有超过 120 万人死于抗生素耐药性的细菌感染。 这一数字超过了全球每年死于疟疾或爱滋的人数。除了直接导致 120 万人死亡外，研究人员还指出 2019 年有多达 500 万人的死亡与抗微生物药物耐药性（一般也称抗生素耐药性，antimicrobial resistance ，简称 AMR ）有关。
新药物输送系统可将有效抗生素准确传送至患部
日前，波士顿的布莱根妇女医院（Brigham and Women’s Hospital）的研究团队开发了一种专门的药物装置输送系统，将有效的抗生素，用于骨水泥基质中的标靶使用。这种新抗生素在大鼠模型中显示出对抗葡萄球菌的有效结果，此方法可用于治疗骨感染和减少细菌耐药性的发展。这项研究成果发表于＜Nature Biomedical Engineering＞。
研究团队表示：“理想情况下，新抗生素应该表现出对耐药细菌的活性，延缓细菌对它们产生耐药性的发展，并在感染部位进行局部给药。因此，我们通过分子对接模拟找到了一个包含 17 种候选抗生素的合理设计，以对抗野生型和突变细菌标靶的骨感染。” 布莱根工程治疗中心联合主任、先进生物材料和生物技术开发实验室首席研究员 Hae Lin Jang 博士说：“目前， FDA 只批准了载有抗生素的骨水泥，但这些抗生素并不是专门为骨组织开发的。因此我们必须创造新一代的抗生素来优化以满足这一新兴需求。”
来自 Brigham 医学系和骨科外科的研究人员合作创造了可局部递送的、有效的抗生素和骨水泥组合。该团队将用于抗生素设计的分子列入候选名单，并在临床前模型中筛选药物敏感和耐药细菌。该团队使用预防性和已建立的葡萄球菌（Staphylococcus）感染胫骨损伤模型，比较了临床使用的 PMMA 骨水泥和新的抗生素负载 PMMA 骨水泥。
双效抗生素不影响原骨水泥稳定并可减缓未来耐药性发展
研究人员确定了双效抗生素（dual-action antibiotic）VCD-077 在细胞和动物模型中的活性和功效。 VCD-077 在不影响骨水泥稳定性的情况下，表现出所需的药物释放动力学，并且还表现出对广泛的耐药细菌链的高效作用，可减缓未来耐药性的发展。
“与目前使用的抗生素骨水泥相比，负载抗生素（antibiotic-loaded）的骨水泥对大鼠葡萄球菌性骨感染表现出更大的功效。有效和局部递送的涂有抗生素（antibiotic-eluting）聚合物可能有助于解决抗菌素耐药性问题。”研究人员做出了这样的结论。
该团队同时表示，他们应用资讯工程来寻找分子和优化抗生素的设计也很成功，但应用于临床前仍须进一步研究。未来，将人工智能与结合药物开发，使开发新抗生素比过去更有效且更具成本效益。
参考资料：
1. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36229662/
2. https://www.thelancet.com/journals/lancet/article/PIIS0140-6736(21)02724-0/fulltext
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