Nanofiberbelægning forhindrer infektioner i ledproteser

I et proof-of-concept-studie med mus, forskere ved Johns Hopkins University viser, at en ny belægning, de har lavet med antibiotikafrigivende nanofibre, har potentialet til bedre at forhindre i det mindste nogle alvorlige bakterielle infektioner relateret til total ledudskiftningskirurgi.

En rapport om undersøgelsen, udgivet online i ugen den 24. oktober in Proceedings of the National Academy of Sciences , blev udført på gnavernes knæled, men, siger forskerne, teknologien ville have "bred anvendelighed" i brugen af ​​ortopædiske proteser, såsom hofte- og knæledsudskiftninger, samt pacemakere, stents og andet implanterbart medicinsk udstyr. I modsætning til andre belægninger under udvikling, forskerne rapporterer, at det nye materiale kan frigive flere antibiotika på en strategisk timet måde for en optimal effekt.

"Vi kan potentielt overtrække ethvert metallisk implantat, som vi sætter i patienter, fra ledproteser, stænger, skruer og plader til pacemakere, implanterbare defibrillatorer og dental hardware, " siger co-senior studie forfatter Lloyd S. Miller, M.D., Ph.D., en lektor i dermatologi og ortopædkirurgi ved Johns Hopkins University School of Medicine.

Kirurger og biomedicinske ingeniører har i årevis ledt efter bedre måder - inklusive antibiotiske belægninger - til at reducere risikoen for infektioner, der er en kendt komplikation ved implantation af kunstig hofte, knæ- og skulderled.

Hvert år i USA anslået 1 til 2 procent af de mere end 1 million hofte- og knæudskiftningsoperationer følges af infektioner forbundet med dannelsen af ​​biofilm - lag af bakterier, der klæber til en overflade, danner en tæt, uigennemtrængelig matrix af proteiner, sukkerarter og DNA. Umiddelbart efter operationen, en akut infektion forårsager hævelse og rødme, der ofte kan behandles med intravenøs antibiotika. Men hos nogle mennesker, lavgradige kroniske infektioner kan vare i flere måneder, forårsager knogletab, der fører til, at implantatet løsner sig og i sidste ende svigt af den nye protese. Disse infektioner er meget vanskelige at behandle og, i mange tilfælde af kronisk infektion, proteser skal fjernes og patienter placeres på lange antibiotikakure, før en ny protese kan indopereres. Omkostningerne pr. patient overstiger ofte $100, 000 til behandling af en biofilm-associeret proteseinfektion, siger Miller.

Store ulemper ved eksisterende muligheder for lokal antibiotikalevering, såsom antibiotika-fyldt cement, perler, afstandsstykker eller pulver, under implantation af medicinsk udstyr er, at de typisk kun kan levere ét antibiotikum ad gangen, og frigivelseshastigheden er ikke velkontrolleret. At udvikle en bedre tilgang, der løser disse problemer, Miller slog sig sammen med Hai-Quan Mao, Ph.D., en professor i materialevidenskab og teknik ved Johns Hopkins University Whiting School of Engineering, og medlem af Institute for NanoBioTechnology, Whitaker Biomedical Engineering Institute og Translational Tissue Engineering Center.

Over tre år, holdet fokuserede på at designe en tynd, biologisk nedbrydelig plastbelægning, der kunne frigive flere antibiotika i den ønskede hastighed. Denne belægning er sammensat af et nanofibernet indlejret i en tynd film; begge komponenter er lavet af polymerer, der bruges til nedbrydelige suturer.

For at teste teknologiens evne til at forhindre infektion, forskerne fyldte nanofibercoatingen med antibiotikum rifampin i kombination med en af ​​tre andre antibiotika:vancomycin, daptomycin eller linezolid. "Rifampin har fremragende anti-biofilm aktivitet, men kan ikke bruges alene, fordi bakterier hurtigt vil udvikle resistens, " siger Miller. Belægningerne frigav vancomycin, daptomycin eller linezolid i syv til 14 dage og rifampin over tre til fem dage. "Vi var i stand til at implementere to antibiotika mod potentiel infektion, mens vi sikrede, at rifampin aldrig var til stede som et enkelt middel, " siger Miller.

Holdet brugte derefter hver kombination til at belægge titanium Kirschner-tråde - en type stift, der bruges i ortopædisk kirurgi til at fikse knogler på plads efter håndledsbrud - indsatte dem i knæleddene på bedøvede mus og introducerede en stamme af Staphylococcus aureus, en bakterie, der almindeligvis forårsager biofilm-associerede infektioner i ortopædiske operationer. Bakterierne blev konstrueret til at afgive lys, giver forskerne mulighed for non-invasivt at spore infektion over tid.

Miller siger, at efter 14 dages infektion i mus, der fik en antibiotikafri belægning på stifterne, alle musene havde rigeligt med bakterier i det inficerede væv omkring knæleddet, og 80 procent havde bakterier på overfladen af ​​implantatet. I modsætning, efter samme tidsperiode i mus, der modtog stifter med enten linezolid-rifampin- eller daptomycin-rifampin-coating, ingen af ​​musene havde påviselige bakterier hverken på implantaterne eller i det omgivende væv.

"Vi var i stand til fuldstændigt at udrydde infektion med denne belægning, " siger Miller. "De fleste andre tilgange reducerer kun antallet af bakterier, men forhindrer ikke generelt eller pålideligt infektioner."

Efter den to uger lange test, hver af gnavernes led og tilstødende knogler blev fjernet til yderligere undersøgelse. Miller og Mao fandt ud af, at infektion ikke kun var blevet forhindret, men det knogletab, der ofte ses i nærheden af ​​inficerede led - som skaber proteseløsnelsen hos patienter - var også fuldstændig undgået hos dyr, der modtog stifter med den antibiotikafyldte belægning.

Miller understregede, at yderligere forskning er nødvendig for at teste effektiviteten og sikkerheden af ​​belægningen hos mennesker, og ved at finde ud af, hvilke patienter der bedst ville have gavn af belægningen – personer med en tidligere ledproteseinfektion, der får et nyt erstatningsled, for eksempel.

De polymerer, de brugte til at generere nanofiberbelægningen, er allerede blevet brugt i mange godkendte enheder af U.S. Food and Drug Administration, såsom nedbrydelige suturer, knogleplader og lægemiddelleveringssystemer.