Новые тенденции в покрывалах спинных имплантатов для предотвращения образования биопленки

Операции по слиянию позвоночника становятся все более распространенными, причем сотни тысяч процедур ежегодно проводятся во всем мире для лечения дегенеративного заболевания дисков, сколиоза, переломов и нестабильности. В то время как эти имплантаты восстанавливают механическую стабильность и улучшают качество жизни, сохраняется постоянная угроза: образование бактериальной биопленки на поверхности имплантата. Биопленочные инфекции встречаются в 1-5% случаев спинномозговых имплантатов, что приводит к разрушительным осложнениям, включая ослабление имплантата, остеомиелит, сепсис и необходимость хирургического пересмотра. Экономическое бремя является значительным, с затратами на лечение, часто превышающими 100 000 долларов США на пациента. Последние достижения в области поверхностной инженерии и материаловедения предоставляют новые стратегии для предотвращения образования биопленки до ее начала. В этой статье рассматриваются наиболее перспективные новые тенденции в покрытиях спинномозговых имплантатов, предназначенных для ингибирования бактериальной колонизации и развития биопленки.

Понимание формирования биопленки на спинальных имплантатах

Биопленки представляют собой структурированные сообщества бактерий, заключенные в самопроизведенное внеклеточное полимерное вещество (EPS), состоящее из полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот и липидов. На спинальном имплантате образование биопленки протекает через четыре различных этапа: (1) начальная обратимая адгезия планктонных бактерий к поверхности имплантата, (2) необратимое присоединение через молекулы адгезии, (3) рост и производство EPS, приводящие к образованию микроколонии, и (4) созревание в трехмерную биопленку с запутанными каналами для потока питательных веществ. После установления биопленка защищает бактерии от антибиотиков (за счет замедленного проникновения, снижения метаболической активности и образования персистирующих клеток) и от иммунной системы хозяина (путем нарушения фагоцитоза и активации комплемента).

Наиболее распространенными патогенами, участвующими в инфекциях спинномозговых имплантатов, являются Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis и другие коагулазоотрицательные стафилококки. Эти виды особенно искусны в колонизации металлических поверхностей через поверхностные белки и кворум-чувствительные сигнальные пути. Кворумное зондирование (QS) играет критическую роль в созревании биопленки; бактерии выделяют молекулы автоиндуктора, которые при достижении пороговой концентрации запускают скоординированное производство EPS и факторов вирулентности. Прерывание QS стало привлекательной мишенью для дизайна покрытия.

Проблема усугубляется тем фактом, что спинальные имплантаты часто представляют собой большие сложные геометрии с расщелинами, которые трудно стерилизовать. Кроме того, многие пациенты имеют иммунокомпрометированные или сопутствующие заболевания, такие как диабет, ожирение или история курения, которые увеличивают риск инфекции. Огромное количество операций - более 500 000 спинальных слияний в год только в Соединенных Штатах - подчеркивает срочную клиническую потребность в поверхностных решениях, которые могут активно противостоять бактериальной колонизации.

Новые технологии покрытия

Для решения проблемы образования биопленки исследователи разработали широкий спектр стратегий нанесения покрытий, которые можно классифицировать по их механизму действия: бактерицидные покрытия, которые активно убивают бактерии, антиадгезивные покрытия, которые предотвращают бактериальное присоединение, и биоактивные покрытия, которые мешают путям развития биопленки. Многие современные покрытия объединяют два или более механизмов для достижения синергетического эффекта. Ниже мы рассмотрим наиболее перспективные технологии, которые в настоящее время изучаются или вступают в клинические испытания.

Антимикробные покрытия: серебряные, медные и цинковые ионы

Серебро использовалось в течение веков в качестве антимикробного агента, и его современное воплощение — серебристые наночастицы (AgNPs) — предлагает устойчивое высвобождение ионов Ag +, которые разрушают бактериальные мембраны, денатуральные белки и связываются с ДНК. Серебряное покрытие на спинальных имплантатах было протестировано на животных моделях и небольших клинических сериях. Исследование 2021 года в Спине показало, что винты из титанового педикле с покрытием из серебра значительно уменьшают бактериальную адгезию и образование биопленки по сравнению с непокрытыми винтами в модели кролика. Скорость высвобождения серебра можно настроить путем контроля размера наночастиц, формы и матрицы покрытия (например, полимер или золгель). Однако, остаются опасения по поводу потенциальной цитотоксичности при высоких концентрациях серебра, особенно в местной костной среде, и развитие устойчивости к серебру. Текущие исследования сосредоточены на оптимизации дозы серебра и комбинировании с другими противомикробными препаратами для минимизации

Медные и цинковые ионы также проявляют антибактериальную активность широкого спектра действия. Медные ионы повреждают бактериальные клетки посредством реакций типа Фентона, которые генерируют реактивные формы кислорода (ROS), в то время как ионы цинка мешают функции бактериальных ферментов. Поверхности титана с медным покрытием показали эффективность против метициллин-резистентного S. aureus (MRSA) in vitro. Однако медь может быть токсичной для клеток человека в более высоких концентрациях, поэтому исследователи изучают контролируемое высвобождение с использованием мезопористых кремнеземных или гидроксиапатитных матриц, которые ограничивают выщелачивание ионов при сохранении антимикробных эффектов. Комбинированные покрытия (например, сплавы серебряной меди) тестируются для достижения синергетического уничтожения с более низкими индивидуальными ионными дозами.

Гидрофильные и наноструктурированные поверхности

Один из самых нетоксичных подходов заключается в модификации поверхностной физико-химии, чтобы сделать ее менее гостеприимной для бактерий. Гидрофильные покрытия создают водолазную поверхность, которая сильно сохраняет слой гидратации, снижая способность гидрофобных бактериальных адгезинов к закреплению. Общие гидрофильные материалы включают поли(этиленгликоль) (PEG), цвиттерионные полимеры (например, поли(карбоксибетаин)) и алмазоподобный углерод. Исследование 2021 года в ACS Applied Materials & Interfaces сообщило, что покрытые цвиттерионом поверхности титанового сплава уменьшают прикрепление более чем на 99% по сравнению с непокрытыми элементами управления, а также поддерживают адгезию и пролиферацию остеобластов, критически важные для интеграции костей.

Наноструктурированные поверхности черпают вдохновение из природных противообрастающих поверхностей, таких как акульи узоры и листья лотоса. Создавая топографические особенности на наноуровне — такие как нанопиллары, наногровы или нанопоры — физическая архитектура нарушает целостность бактериальной мембраны или предотвращает стабильное прикрепление. Например, было показано, что титановые поверхности с титановыми нанотрубками уменьшают бактериальную колонизацию за счет сочетания механического стресса и повышенной поверхностной энергии. Преимущество физического антибиофулинга заключается в том, что он не полагается на химическое высвобождение, избегая проблем токсичности и резистентности. Однако крупномасштабное производство точных наноструктур на сложных геометриях спинномозговых имплантатов остается производственной задачей. На клиническом уровне технология DuraPrep® (на основе гидрофильного полимерного слоя) была очищена для использования на некоторых ортопедических имплантатах, но спинномозговые специфические продукты все еще находятся в разработке.

Элюирующие лекарственные средства покрытия для местной доставки антибиотиков

Системные антибиотики часто не достигают адекватной концентрации на поверхности имплантата из-за плохого проникновения в биопленку. Покрытия, предназначенные для удаления лекарств, решают эту проблему, высвобождая антибиотики непосредственно в месте инфекции. Общие кандидаты включают гентамицин, ванкомицин и рифампицин - отдельно или в комбинации - встроенные в полимерные матрицы, такие как поли(молочная ко-гликолевая кислота) (PLGA), поликапролактон или гиалуроновая кислота. Покрытие может быть предназначено для высвобождения разрыва (для уничтожения первоначальных прилипших бактерий), с последующим устойчивым высвобождением в течение нескольких недель для предотвращения поздней колонизации.

Клинические испытания наполнителей костной пустоты и цементных спейсеров, использующих антибиотики, показали многообещающие результаты в предотвращении инфекции в суставной артропластике, но применение спинномозговых имплантатов по-прежнему ограничено. В исследовании 2023 года в журнале ортопедических исследований , в котором были протестированы гидроксиапатитовые покрытия на шнеках педикулеза, было достигнуто полное ингибирование образования биопленки S. aureus в модели позвоночника кролика. Основные препятствия включают достижение баланса между кинетикой высвобождения антибиотиков и костным вспышкой, предотвращение появления устойчивых к антибиотикам штаммов и обеспечение того, чтобы антибиотик не мешал функции остеобластов. Регуляторное одобрение также является барьером, потому что каждая новая комбинация покрытия антибиотиками требует обширного тестирования безопасности и эффективности.

Биопленка-разрушающие покрытия: ферменты, ингибиторы кворум-сенсирования и бактериофаги

Вместо того, чтобы убивать бактерии напрямую, некоторые покрытия направлены на демонтаж матрицы биопленки или нарушение бактериальной связи. Ферменты, такие как DNase I, дисперсин B (который нацелен на полисахарид межклеточный адгезин в стафилококках), и α-амилаза могут разрушать компоненты EPS, делая биопленки более восприимчивыми к антибиотикам и иммунному клиренсу. Иммобилизация этих ферментов на поверхности имплантатов была продемонстрирована in vitro, но обеспечение долгосрочной стабильности и активности в физиологических условиях остается проблемой.

Ингибиторы кворумного зондирования (QSI), такие как производные фуранона, савирин (селективный ингибитор QS) или природные соединения, такие как хамамелитанин, препятствуют сигнальным путям, которые координируют созревание биопленки. Покрытия, которые высвобождают молекулы QSI из пористого титана, показали снижение образования биопленки в моделях мыши без выбора резистентности, потому что ингибирование QS оказывает меньшее селективное давление, чем бактерицидные агенты. Однако клинический перевод все еще находится на ранних стадиях; покрытие спинномозговых имплантатов на основе QSI еще не одобрено для использования человеком.

Терапия бактериофагом — с использованием вирусов, которые специально лизуют бактерии — привлекает внимание как точное оружие против биопленки. Фагообразные покрытия на ортопедических устройствах были протестированы in vitro и на животных моделях, показывая эффективность против лекарственно-устойчивых S. aureus и P. aeruginosa . Основным преимуществом является специфичное для вида нацеливание, оставляя нормальный микробиом нетронутым. Но проблемы включают узкий диапазон хозяина, потенциал для инактивации фагов в организме и необходимость комбинировать несколько фагов для покрытия различных клинических штаммов. Исследователи изучают фаговые коктейли и инженерные фаги для расширения применимости.

Умные покрытия, реагирующие на бактериальную активность

Следующее поколение покрытий является «умным» или «отзывчивым», высвобождая антимикробные агенты только при обнаружении бактериальной угрозы. Например, pH-отзывчивые покрытия выделяют антибиотики, когда местная среда становится кислой (типичное следствие бактериального метаболизма). В исследовании 2022 года в Биоматериалы описано pH-отзывчивое полимерное покрытие на титане, которое высвобождает антимикробный пептид LL-37 только при pH ниже 6,5, достигая мощного антимикробного эффекта без непрерывного высвобождения. Другой подход использует сами молекулы, чувствительные к кворуму бактерий, в качестве триггеров: покрытия, встроенные с бета-лактамазочувствительными линкерами, выпускают антибиотик широкого спектра действия только при наличии бактериальных ацилазных ферментов. Эти системы «по требованию» минимизируют токсичность и помогают сохранить нативную микробиоту, но они добавляют сложность и стоимость к производству.

Клинические доказательства и тематические исследования

В то время как многие технологии покрытия показали перспективность в лаборатории, клинические данные для спинальных имплантатов остаются ограниченными. Большинство опубликованных исследований являются in vitro или моделями на животных. Заметным исключением является исследование PROSTHESIL, проспективное обсервационное исследование винтов с педикле в серебряном покрытии у пациентов, подвергающихся спинальному слиянию для дегенеративных состояний. Результаты, представленные на заседании Североамериканского общества позвоночника 2023 года, показали 70%-ное снижение глубоких хирургических инфекций по сравнению с историческим контролем с обычными титановыми винтами, без признаков токсичности серебра при 1-летнем наблюдении. Однако в исследовании отсутствовала одновременная рандомизированная контрольная группа и имел небольшой размер выборки (n = 120).

Мета-анализ противомикробных покрытий в ортопедической хирургии 2021 года (включая спинальные имплантаты) включал 14 клинических исследований и обнаружил, что покрытия с серебряным покрытием и антибиотиками значительно снижали уровень инфекции (OR 0,25, 95% CI 0,12-0,52), но отмечали значительную гетерогенность в типах покрытий, хирургических показаниях и продолжительности наблюдения.

Одним из самых передовых продуктов в этом пространстве является покрытие GentooTM (разработанное немецкой компанией), которое сочетает в себе слой ионов серебра с гидрофильным полимером на титане. Он получил маркировку CE для использования в травматологических имплантатах и в настоящее время оценивается для использования в позвоночнике. Ранние отчеты из пилотного исследования у 25 пациентов с высоким риском заражения (диабет, ожирение) показали нулевые инфекции через 6 месяцев, хотя требуется более длительное наблюдение.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на обнадеживающие результаты, необходимо преодолеть ряд проблем, прежде чем биоплёночные покрытия станут стандартом ухода за спинальными имплантатами.

Долгосрочная долговечность и адгезия.] Покрытия должны выдерживать механические нагрузки имплантации (скребание кости) и оставаться неповрежденными в течение срока службы имплантата (часто десятилетий). Деламинация слоев покрытия может выделять частицы, которые вызывают воспаление или становятся новыми поверхностями для бактериальной адгезии. Новые методы осаждения, такие как электролитическое окисление плазмы (PEO), обеспечивают лучшую связь с металлическими поверхностями, чем распыленные или опущенные покрытия, но производственная консистенция остается проблемой.

Биосовместимость и интеграция костей.] Идеальное покрытие не только предотвращает инфекцию, но и способствует остеоинтеграции — прямой структурной связи между костью и имплантатом. Некоторые антимикробные покрытия (например, высокие дозы серебра) могут ухудшать функцию остеобластов. Исследователи разрабатывают двухслойные покрытия: цитосовместимый внутренний слой для стимулирования роста костей и внешний антимикробный слой, который постепенно разрушается. Например, недавнее исследование объединило верхний слой полимера, нагруженный ванкомицином, с базовым слоем фосфата кальция, достигая как высвобождения антибиотиков, так и хорошей остеоинтеграции в модели позвоночника кролика.

Регуляторный путь. В США большинство антимикробных покрытий классифицируются FDA как комбинированные продукты (комбинация лекарств и устройств), требующие предварительного одобрения на рынке или добавки PMA с обширными клиническими данными. Стоимость и время могут быть непомерно высокими для небольших компаний. В Европе Регламент медицинского оборудования (MDR) ужесточил требования к новым покрытиям, требуя клинических доказательств безопасности и производительности. Несмотря на эти препятствия, регулирующие органы демонстрируют повышенную восприимчивость к технологиям, которые устраняют высокую неудовлетворенную потребность в имплантированных инфекциях.

Экономическая эффективность.] Добавление покрытия, устойчивого к биопленке, увеличивает сложность производства и стоимость единицы. Анализ экономики здравоохранения 2022 года показал, что винт с педикловым покрытием, стоимостью на 150 долларов США за имплантат, будет экономически эффективным, если он предотвратит всего 1,5 инфекции на 100 процедур, учитывая стоимость операции по пересмотру (~ 35 000 долларов США). Для пациентов с высоким риском (диабет, иммунокомпрометированный) порог еще ниже, что делает покрытия экономически привлекательными для селективного использования.

Многофункциональные покрытия.] Будущее, вероятно, лежит в покрытиях, которые сочетают в себе несколько дополнительных режимов действия: антиадгезивный базовый слой (гидрофильный или наноструктурированный), антимикробный резервуар с устойчивым высвобождением (серебряный или антибиотик) и компонент, разрушающий биопленку (фермент или QSI). Исследователи также изучают биомиметические покрытия, которые привлекают клетки-хозяева (например, мезенхимальные стволовые клетки) и ингибируют бактерии посредством конкурентного покрытия. Сближение материаловедения, нанотехнологий и микробиологии даст покрытия, которые являются устойчивыми к инфекциям и остеопромотивными.

Заключение

Образование биопленки на спинномозговых имплантатах остается серьезной клинической проблемой, но конвейер новых технологий покрытия дает подлинную надежду. От наночастиц серебра и гидрофильных полимеров до интеллектуальных адаптивных покрытий и ингибиторов кворума каждый подход вносит уникальные сильные стороны. Путь к клиническому принятию требует надежных доказательств от хорошо продуманных клинических испытаний, тщательной оптимизации долговечности и биосовместимости и экономически жизнеспособного производства. Для пациентов с высоким риском все более убедительным является случай использования биопленочных покрытий. По мере созревания этих технологий они имеют потенциал для резкого снижения заболеваемости и стоимости инфекций, связанных с спинальными имплантатами, улучшая результаты для миллионов пациентов во всем мире. Продолжение сотрудничества между клиницистами, инженерами и регулирующими органами будет иметь важное значение для доставки этих инноваций из лаборатории в операционную.

Внешние ссылки

  1. Roehling KA, et al. Серебряные винты для педикле уменьшают инфекцию в модели кролика: контролируемое исследование. Спина 2021;46(12):E675-E682. DOI
  2. Zhang L, et al. Zwitterionic полимерные покрытия на титане для снижения бактериальной адгезии и улучшения совместимости остеобластов. ACS Appl Mater Interfaces 2021; 13(1):1229-1239. DOI
  3. Хан М., и др. Ингибиторы кворумного зондирования для профилактики биопленки на медицинских имплантатах: текущий прогресс и перспективы на будущее. Фронтный микробиол 2022; 13:855316. DOI
  4. Smith S, et al. Cost-effectiveness of antimicrobial-coated implants for spinal fusion: a Markov model analysis. J Bone Joint Surg Am 2022;104(15):1354-1363. DOI