DOI: https://doi.org/10.1038/s41413-025-00471-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41290567
تاريخ النشر: 2025-11-25
المؤلف: Xiangwen Shi وآخرون
الموضوع الرئيسي: العدوى والعلاجات العظمية
نظرة عامة
تُعد التهاب العظم والنقي تحديًا كبيرًا في جراحة العظام، مع معدلات تكرار طويلة الأمد تتراوح بين 20%-30% حتى بعد العلاجات القياسية مثل إزالة الأنسجة الميتة والمضادات الحيوية. تُبرز تعقيدات الاستجابات المناعية خلال العدوى العظمية، ولا سيما التفاعل بين التصاق البكتيريا وخلايا المناعة المضيفة مثل البلعميات، الحاجة إلى مواد حيوية ذات خصائص تعديل مناعي. تلعب البلعميات دورًا محوريًا في تنظيم الالتهاب وإعادة تشكيل الأنسجة من خلال قدرتها على الاستقطاب استجابةً للاختراق البكتيري، والذي يختلف عبر مراحل العدوى المختلفة.
تناقش هذه المراجعة الآليات التنظيمية المناعية المعقدة داخل بيئة العدوى العظمية، مع التركيز على دور استقطاب البلعميات. تفحص كيف يمكن أن تؤثر خصائص أسطح الزرع على كل من التصاق البكتيريا ونشاط البلعميات، بما يتماشى مع نظرية “السباق نحو السطح”. يبرز المؤلفون التقدمات الأخيرة والتحديات التي تواجه تطوير مواد حيوية يمكن أن تعدل بشكل فعال استقطاب البلعميات وتتكيف مع الاحتياجات العلاجية المتطورة عبر مراحل التهاب العظم والنقي. تهدف الرؤى المقدمة إلى تسهيل التطبيق السريري للعلاجات المناعية القائمة على المواد الحيوية المستندة إلى البلعميات.
مقدمة
في مقدمة هذه الورقة البحثية، يبرز المؤلفون التحدي الكبير الذي يطرحه التهاب العظم والنقي في جراحة العظام، والذي تفاقم بسبب الزيادة في حالات الإصابات الرضحية وعمليات استبدال المفاصل. يتم تحديد العوامل الممرضة الرئيسية المسؤولة عن التهاب العظم والنقي، حيث تمثل بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية 75% من الحالات. على الرغم من التدخل الجراحي والعلاج بالمضادات الحيوية، تظل معدلات التكرار مرتفعة بشكل مقلق عند 20%-30%. تتعقد عملية العلاج بشكل أكبر بسبب ظهور بكتيريا مقاومة للأدوية واستراتيجيات التهرب المناعي المختلفة التي تستخدمها هذه العوامل الممرضة، مما يعيق الاستجابات المناعية الفعالة ويساهم في العدوى المستمرة.
يتم التأكيد على دور البلعميات في الاستجابة المناعية لالتهاب العظم والنقي، مع توضيح استقطابها إلى أنماط M1 وM2، التي تؤثر على الالتهاب وإعادة تشكيل الأنسجة. يجادل المؤلفون بأن التوازن بين هذه الأنواع من البلعميات غالبًا ما يتعطل بسبب اختراق البكتيريا وتكوين الأغشية الحيوية. يقترحون أن المواد الحيوية المتقدمة ذات الخصائص المضادة للميكروبات والوظائف المعدلة للمناعة يمكن أن تعزز نتائج العلاج من خلال تعزيز استقطاب البلعميات المواتية واندماج الأنسجة. ومع ذلك، يحذر المؤلفون من التركيز المفرط على الخصائص المضادة للبكتيريا المباشرة، داعين إلى فهم أكثر دقة للتفاعلات بين البكتيريا وخلايا المناعة المضيفة والمواد الحيوية. تهدف المراجعة إلى استكشاف تفاعل هذه العوامل وإمكانية المواد الحيوية في تنظيم استقطاب البلعميات، مع معالجة مجالات رئيسية مثل استراتيجيات التهرب المناعي، والتنافس على أسطح المواد الحيوية، والتقدمات الأخيرة في تصميم المواد الحيوية لتحسين علاج العدوى العظمية.
طرق
في قسم الطرق، تناقش الورقة الدور المحوري للمواد الحيوية في تعديل أنماط استقطاب البلعميات في سياق علم المناعة العظمي، خاصة فيما يتعلق بالأمراض المعدية العظمية. تُبرز أن البلعميات، كخلايا فعالة رئيسية في المناعة، تعتبر جزءًا لا يتجزأ من إزالة العوامل الممرضة وتعزيز تكوين العظام خلال العدوى. يؤكد المؤلفون أن استقطاب البلعميات لا يقتصر على الحالات الكلاسيكية M1 (المؤيدة للالتهاب) وM2 (المضادة للالتهاب)؛ بل يمكن أن تتبنى البلعميات أنماطًا وسطية تتأثر ببيئة العدوى.
تحدد الورقة استراتيجيات متميزة للتلاعب باستقطاب البلعميات بناءً على طبيعة العدوى. في العدوى الحادة، يُعتبر تعزيز نمط M2 أمرًا ضروريًا لتسهيل إصلاح الأنسجة مع تقليل الالتهاب المفرط. وعلى العكس، في العدوى المزمنة، يُعتبر تشجيع استقطاب M1 أمرًا حاسمًا لتعزيز إزالة العوامل الممرضة والأغشية الحيوية. يقترح المؤلفون أن فهم هذه التغيرات الديناميكية في أنماط البلعميات يسمح بتطوير استراتيجيات المواد الحيوية التي يمكن تخصيصها للتعديل المناعي المضاد للالتهاب، والمشجع على الالتهاب، والتنظيم المتسلسل، مما يوجه نحو أساليب علاجية مصنفة لعلاج العدوى العظمية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على التفاعل المعقد بين الجهاز المناعي وبكتيريا المكورات العنقودية الذهبية خلال العدوى العظمية، مع التأكيد على أدوار الاستجابات المناعية الفطرية والتكيفية. عند حدوث العدوى، يتم استقطاب خلايا المناعة الفطرية، وخاصة البلعميات والعدلات، بسرعة إلى موقع العدوى، حيث تشارك في القضاء على العوامل الممرضة من خلال آليات مثل البلعمة، وإنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وتكوين مصائد خارج الخلوية للعدلات (NETs). ومع ذلك، تستخدم بكتيريا S. aureus عوامل ضراوة متنوعة لتعطيل هذه الوظائف المناعية، بما في ذلك تثبيط كيمياء العدلات والبلعمة، مما يسمح لها بالتهرب من الكشف المناعي وتعزيز بقاء البكتيريا.
تتوسع الفقرة أكثر في استقطاب البلعميات إلى أنماط M1 وM2، التي تلعب أدوارًا متعارضة في توازن العظام. تعزز البلعميات M1، التي تتميز بإنتاج السيتوكينات المؤيدة للالتهاب، نشاط الخلايا الآكلة للعظام وإعادة امتصاص العظام، بينما تعزز البلعميات M2 إصلاح الأنسجة وتكوين العظام من خلال الإشارات المضادة للالتهاب. يُعتبر التوازن بين هذه الحالات من البلعميات أمرًا حيويًا للحفاظ على سلامة العظام، ويمكن أن يؤدي عدم التنظيم إلى التهاب مزمن وضعف في الشفاء. تؤكد النتائج على الحاجة إلى فهم أعمق لديناميات استقطاب البلعميات في سياق العدوى العظمية، مما قد يُعلم تطوير علاجات تنظيم المناعة المستهدفة والمواد الحيوية لتعزيز تجديد العظام.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41413-025-00471-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41290567
Publication Date: 2025-11-25
Author(s): Xiangwen Shi et al.
Primary Topic: Orthopedic Infections and Treatments
Overview
Osteomyelitis presents a significant challenge in orthopedics, with long-term recurrence rates of 20%-30% even after standard treatments such as debridement and antibiotics. The complexity of immune responses during bone infections, particularly the interplay between bacterial adhesion and host immune cells like macrophages, underscores the need for biomaterials with immunomodulatory properties. Macrophages play a pivotal role in regulating inflammation and tissue remodeling through their ability to polarize in response to bacterial invasion, which varies across different stages of infection.
This review discusses the intricate immune regulatory mechanisms within the bone infection microenvironment, emphasizing the role of macrophage polarization. It examines how the properties of implant surfaces can affect both bacterial adhesion and macrophage activity, aligning with the “Race for the Surface” theory. The authors highlight recent advancements and the challenges faced in developing biomaterials that can effectively modulate macrophage polarization and adapt to the evolving therapeutic needs throughout the stages of osteomyelitis. The insights provided aim to facilitate the clinical application of innovative biomaterial-based macrophage immunotherapies.
Introduction
In the introduction to this research paper, the authors highlight the significant challenge posed by osteomyelitis in orthopedic surgery, exacerbated by the increasing incidence of traumatic injuries and joint replacement surgeries. The primary pathogens responsible for osteomyelitis are identified, with Staphylococcus aureus accounting for 75% of cases. Despite surgical intervention and antibiotic treatment, the recurrence rate remains alarmingly high at 20%-30%. The complexity of treatment is further intensified by the emergence of drug-resistant bacteria and various immune evasion strategies employed by these pathogens, which hinder effective immune responses and contribute to persistent infections.
The role of macrophages in the immune response to osteomyelitis is emphasized, detailing their polarization into M1 and M2 phenotypes, which influence inflammation and tissue remodeling. The authors argue that the balance between these macrophage types is often disrupted by bacterial invasion and biofilm formation. They propose that advanced biomaterials with antimicrobial properties and immunomodulatory functions could enhance treatment outcomes by promoting favorable macrophage polarization and tissue integration. However, the authors caution against an overemphasis on direct antibacterial properties, advocating for a more nuanced understanding of the interactions between bacteria, host immune cells, and biomaterials. The review aims to explore the interplay of these factors and the potential of biomaterials to regulate macrophage polarization, addressing key areas such as immune evasion strategies, the competition for biomaterial surfaces, and recent advancements in biomaterial design for improved treatment of bone infections.
Methods
In the section on methods, the paper discusses the pivotal role of biomaterials in modulating macrophage polarization phenotypes within the context of osteoimmunology, particularly concerning bone infectious diseases. It highlights that macrophages, as key immune effector cells, are integral to pathogen clearance and the promotion of bone formation during infections. The authors emphasize that macrophage polarization is not limited to the classical M1 (pro-inflammatory) and M2 (anti-inflammatory) states; rather, macrophages can adopt intermediate phenotypes influenced by the infection microenvironment.
The paper outlines distinct strategies for manipulating macrophage polarization based on the nature of the infection. In acute infections, promoting the M2 phenotype is essential for facilitating tissue repair while mitigating excessive inflammation. Conversely, in chronic infections, encouraging M1 polarization is crucial for enhancing the clearance of pathogens and biofilms. The authors propose that understanding these dynamic changes in macrophage phenotypes allows for the development of biomaterial strategies that can be tailored for anti-inflammatory, pro-inflammatory, and sequential regulation, thereby informing stratified treatment approaches for bone infections.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the complex interplay between the immune system and Staphylococcus aureus during bone infections, emphasizing the roles of innate and adaptive immune responses. Upon infection, innate immune cells, particularly macrophages and neutrophils, are rapidly recruited to the site of infection, where they engage in pathogen elimination through mechanisms such as phagocytosis, reactive oxygen species (ROS) production, and the formation of neutrophil extracellular traps (NETs). However, S. aureus employs various virulence factors to disrupt these immune functions, including inhibiting neutrophil chemotaxis and phagocytosis, thereby evading immune detection and promoting bacterial survival.
The section further elaborates on the polarization of macrophages into M1 and M2 phenotypes, which play opposing roles in bone homeostasis. M1 macrophages, characterized by pro-inflammatory cytokine production, enhance osteoclast activity and bone resorption, while M2 macrophages promote tissue repair and bone formation through anti-inflammatory signaling. The balance between these macrophage states is crucial for maintaining bone integrity, and dysregulation can lead to chronic inflammation and impaired healing. The findings underscore the need for a deeper understanding of macrophage polarization dynamics in the context of bone infections, which could inform the development of targeted immunoregulatory therapies and biomaterials for enhanced bone regeneration.