客户论文发表:原位形成的微丝素复合缝合线用于疼痛管理和抗感染

文献信息
江南大学无锡医学院、南京中医药大学、江南大学创伤修复技术教育部工程研究中心、江南大学附属医院等团队合作的研究成果In situ-formed micro silk fibroin composite sutures for pain management and anti-infection(原位形成的微丝素复合缝合线用于疼痛管理和抗感染)在学术期刊《COMPOSITES PART B-ENGINEERING》(IF=13.1)发表。平生公司的小动物PET/CT(型号:Super Nova)产品在论文中提供了重要的大鼠脑PET/CT图像和定量分析。

 该研究的通讯作者为吕国忠教授。第一作者为李笑笑。

文献背景
手术缝合线可以缝合伤口，促进伤口愈合。缝合线需要满足适当的力学性能和生物相容性，因此为了获得更好的力学性能，开发了复杂和高成本的编织工艺。然而，在某些情况下，如疼痛和感染，它们仍然不能理想地起作用。疼痛是几乎所有损伤、感染和疾病中最常见的症状。疼痛管理不当导致患者身体和心理上的不良后果。为此，作者设计了一种多功能的微丝素纤维(SF)复合缝线。它是从茧中提取的一根可长达数百米的超长和超细的SFs。缝线通过改变pH值吸附抗感染万古霉素，然后涂上甲基丙烯酸明胶作为鞘，装入止痛药布洛芬(SMG-VC-IB)。SMG-VC-IB可以承受近18N的张力，是Mersilk^®缝线的两倍。SMG-VC-IB可以维持较长的释放时间，有效地控制疼痛和抗感染。作者应用PET/CT对脑区客观代谢数据进行研究，发现该止痛药对作者所建立的大鼠股四头肌切口疼痛模型有效。作者发现SMG-VC-IB降低了疼痛相关脑区的代谢水平，包括经典疼痛基质。也证实了缝合线的止痛药布洛芬有助于度过术后炎症期，进入舒适的恢复期。作者的研究提出了一种环保的制造解决方案，用于设计多功能复合缝线，用于疼痛管理和感染控制。

实验方法
SMG-VC-IB的体内镇痛功能
SD大鼠腹腔注射戊巴比妥钠40mg/kg。在大鼠麻醉后，将它们置于仰卧位。在左腹股沟处做1cm长的真皮切口，取适量脂肪组织，露出股四头肌。用手术刀片在股四头肌中间做一个横向切口(3mm深，7mm长)。分别用SMG和SMG-VC-IB缝合肌肉，然后用商业丝缝合线缝合皮肤。假手术组不缝合肌肉切口，仅缝合皮肤。所有手术均在无菌条件下进行。术后，当大鼠通过150cm长的透明管时，用摄像机记录大鼠的运动状态，如行走速度和步幅。并记录大鼠站立时间。将大鼠置于透明笼中，设置15cm高度放置单线红外定位器。当老鼠将上肢举过高度，依靠下肢时，老鼠就会阻挡红外光。记录大鼠在5min内的站立时间和红外光阻挡频率。

 作者还研究了股四头肌剥离大鼠全脑的代谢。作者使用¹⁸F-FDG成像进行分析。大鼠在注射¹⁸F-FDG前禁食12h。¹⁸F-FDG以约450μCi的剂量注入尾静脉。药物注射后1h，使用小动物Micro PET/CT扫描仪(Super Nova,平生医疗科技有限公司)，大脑进行静态PET扫描10min。PET扫描后，进行CT扫描。¹⁸F-FDG PET数据采用PMOD软件3.6版进行处理和分析。为了进行感兴趣量(VOI)分析，PMOD记录了大鼠脑模板和图谱中58个区域的PET数据。标准摄取值(SUV)的定义分区大鼠脑自动应用于测量。这项研究评估了58个大脑区域，整个图谱被用于全脑规范化，如前所述。通过将单个区域的¹⁸F-FDG摄取值除以整个大脑的摄取值来计算区域SUV，计算公式为eq(3)。通过创建10只未治疗的正常大鼠的基线数据库，作者比较实验组与基线之间的SUV差异，并用Z分数表示差异，计算公式为eq(4)。作者认为两者在|Z|>2上有显著差异。Z>2的区域用红色表示，Z<- 2的区域用蓝色表示。

实验结果
从行为测试到PET/CT ¹⁸F-FDG评估，体内疼痛缓解
除了行为指标，作者还研究了大脑疼痛反应区域的更客观的变化。FDG是氟脱氧葡萄糖，它很容易被高葡萄糖利用率的细胞吸收。¹⁸F-FDG是用正电子发射放射性同位素¹⁸F合成的，它形成一种显影剂，可以在正电子发射断层扫描成像设备(PET/CT)中成像。¹⁸F-FDG跟踪血液流动，显示大脑不同区域的特定活动，活动越高表明该大脑区域葡萄糖摄取越多，代谢越快。¹⁸F-FDG成像已被广泛用于研究脑和脊髓的疼痛反应。涉及疼痛基质的几个脑区在手术前后表现出不同的代谢谱和不同的摄取表现。痛觉基质主要由扣带皮层、岛叶皮层、前额叶皮层、体感皮层和脑丘组成。

 扣带皮层是大脑中最常被激活的区域之一。一些研究表明，这与疼痛刺激的位置无关，而与疼痛体验的情绪成分有关。在急性肌肉疼痛的脑血流动力学研究中，在几种疼痛刺激条件下一致观察到岛/次级体感皮层的激活。众所周知，前额叶皮层是一个参与认知和运动的区域，在与疼痛感知、觉醒和认知相关的实验中被广泛报道。疼痛刺激通常激活脑丘，也参与急性创伤性损伤疼痛的唤醒过程。
 首先对10只正常大鼠进行PET/CT扫描，计算脑内¹⁸F-FDG的基线摄取。SMG、SMG-VC-IB和sham各3只，于1天后进行¹⁸F-FDG成像。计算标准摄取值(suv)以排除大鼠体重差异，从而允许更准确的¹⁸F-FDG校准。在图A中，疼痛相关脑区的SUV在SMG和sham之间是相似的，与基线水平相比显著增加，表明新陈代谢加快。这可能与频繁的信号处理和蛋白质翻译活动有关。在SMG-VC-IB组中，SUV在大多数疼痛相关区域显著降低，高度接近基线。另一个表示实验组与基线之间差异的值是Z分数。[Z]分值越大，实验组与基线间¹⁸F-FDG摄取差异越显著。各组PET/CT成像|Z|>2脑区如图B所示。根据PMOD对大鼠大脑的划分和定位，在图11B1的4个CT切片上标记出|Z|>2的相关脑区。在图B2中，Z>2的区域用红色表示(激活的脑区)，Z<-2的区域用蓝色表示(抑制的脑区)。作者观察到，与假手术组相比，SMG和SMG-VC-IB组的脑红区明显减少，且SMG-VC-IB组的减少更为显著。
 在图C中，作者计算了¹⁸F-FDG成像时|Z|>2的总体素。与sham和SMG相比，SMG-VC-IB组的¹⁸F-FDG摄取更少，体素也更少。脑区|Z|>2的三维图像如图12和影像S5所示。与基线相比，假手术组更多的大脑区域显示出¹⁸F-FDG摄取的显著差异。在SMG组中，只有少数脑区存在显著差异，而在SMG-VC-IB组中，与基线相比，显示差异的脑区最少。
 总的来说，在切口后，大脑接收到疼痛信号，包括扣带皮层、岛叶皮层、前额叶皮层、体感皮层和脑丘。SUV的数量有所增加。然而，一些大脑区域的活动强度低于假手术组，这可能是相对轻微的疼痛。

图11 假手术组、SMG组和SMG-VC-IB组大鼠左股四头肌切口的PET/CT分析。A.正常组、假手术组、SMG组和SMG-VC-IB组疼痛相关脑区吸收¹⁸F-FDG的SUV, N=3。B.PMOD大鼠模型分割的4个CT切片的脑区(B1)和脑区|Z|>2 (B2)的PET/ CT图像，Z>2的区域为红色，Z<-2的区域为蓝色。C.脑区体素之和Z>2, N=3。统计数据以mean±SD表示。

图12  |Z|> 2脑区3D¹⁸F-FDG图像。从左到右，图像显示了大脑区域的上、右、下、左视图。

文献结论
在这项研究中，作者设计了多功能丝素复合缝合线用于疼痛管理和抗感染。SMG-VC-IB比相同尺寸的Mersilk^®缝线具有更好的力学性能。VC的负荷具有明显的抗感染作用，IB具有局部镇痛作用。SMG-VC-IB无细胞毒性，具有良好的生物相容性。在体实验中，SMG-VC-IB具有明显的镇痛作用，这是由大鼠行为学和脑内¹⁸F-FDG成像所显示的。¹⁸F-FDG术后行为学与SUV显著相关，提示SUV可能具有预后指示作用。

使用设备
                                                               Super Nova^® Micro PET/CT（III 代外观图）