In een proof-of-concept-onderzoek met muizen, wetenschappers van de Johns Hopkins University laten zien dat een nieuwe coating die ze hebben gemaakt met nanovezels die antibiotica afgeven, het potentieel heeft om ten minste enkele ernstige bacteriële infecties die verband houden met totale gewrichtsvervangende chirurgie beter te voorkomen.

Een verslag van het onderzoek, online gepubliceerd in de week van 24 oktober in Proceedings van de National Academy of Sciences , werd uitgevoerd op de kniegewrichten van knaagdieren, maar, zeggen de onderzoekers, de technologie zou "brede toepasbaarheid" hebben bij het gebruik van orthopedische prothesen, zoals heup- en kniegewrichtsvervangingen, evenals pacemakers, stents en andere implanteerbare medische hulpmiddelen. In tegenstelling tot andere coatings in ontwikkeling, de onderzoekers melden dat het nieuwe materiaal meerdere antibiotica op een strategisch getimede manier kan afgeven voor een optimaal effect.

"We kunnen elk metalen implantaat dat we in patiënten plaatsen mogelijk coaten, van prothesegewrichten, staven, schroeven en platen aan pacemakers, implanteerbare defibrillatoren en tandheelkundige hardware, " zegt co-senior studie auteur Lloyd S. Miller, MD, doctoraat, een universitair hoofddocent dermatologie en orthopedische chirurgie aan de Johns Hopkins University School of Medicine.

Chirurgen en biomedische ingenieurs hebben jarenlang gezocht naar betere manieren - waaronder antibiotische coatings - om het risico op infecties te verminderen die een bekende complicatie zijn van het implanteren van een kunstheup, knie- en schoudergewrichten.

Elk jaar in de V.S. naar schatting 1 tot 2 procent van de meer dan 1 miljoen heup- en knievervangende operaties wordt gevolgd door infecties die verband houden met de vorming van biofilms - bacterielagen die zich aan een oppervlak hechten, vormen een dichte, ondoordringbare matrix van eiwitten, suikers en DNA. Direct na de operatie, een acute infectie veroorzaakt zwelling en roodheid die vaak kan worden behandeld met intraveneuze antibiotica. Maar bij sommige mensen laaggradige chronische infecties kunnen maanden aanhouden, veroorzaakt botverlies dat leidt tot losraken van het implantaat en uiteindelijk falen van de nieuwe prothese. Deze infecties zijn zeer moeilijk te behandelen en, in veel gevallen van chronische infectie, prothesen moeten worden verwijderd en patiënten moeten lange antibioticakuren krijgen voordat een nieuwe prothese kan worden geïmplanteerd. De kosten per patiënt bedragen vaak meer dan $ 100, 000 voor de behandeling van een biofilm-geassocieerde prothese-infectie, zegt Molenaar.

Grote nadelen van bestaande opties voor lokale toediening van antibiotica, zoals met antibiotica beladen cement, kralen, afstandhouders of poeder, tijdens de implantatie van medische hulpmiddelen zijn dat ze doorgaans slechts één antibioticum tegelijk kunnen afgeven en dat de afgiftesnelheid niet goed onder controle is. Om een ​​betere aanpak te ontwikkelen die deze problemen aanpakt, Miller werkte samen met Hai-Quan Mao, doctoraat, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Johns Hopkins University Whiting School of Engineering, en lid van het Instituut voor NanoBioTechnology, Whitaker Biomedical Engineering Institute en Translational Tissue Engineering Center.

Ruim drie jaar, het team concentreerde zich op het ontwerpen van een dunne, biologisch afbreekbare plastic coating die meerdere antibiotica met de gewenste snelheid kan afgeven. Deze coating is samengesteld uit een nanovezelgaas dat is ingebed in een dunne film; beide componenten zijn gemaakt van polymeren die worden gebruikt voor afbreekbare hechtingen.

Om het vermogen van de technologie om infectie te voorkomen te testen, de onderzoekers laadden de nanovezelcoating met het antibioticum rifampicine in combinatie met een van de drie andere antibiotica:vancomycine, daptomycine of linezolid. "Rifampin heeft een uitstekende anti-biofilmactiviteit, maar kan niet alleen worden gebruikt omdat bacteriën snel resistentie ontwikkelen, " zegt Miller. Door de coatings kwam vancomycine vrij, daptomycine of linezolid gedurende zeven tot 14 dagen en rifampicine gedurende drie tot vijf dagen. "We waren in staat om twee antibiotica in te zetten tegen mogelijke infecties, terwijl we ervoor zorgden dat rifampicine nooit als een enkel middel aanwezig was, ' zegt Molenaar.

Het team gebruikte vervolgens elke combinatie om titanium Kirschner-draden te coaten - een soort pin die wordt gebruikt in orthopedische chirurgie om bot op zijn plaats te fixeren na polsbreuken - en bracht ze in de kniegewrichten van verdoofde muizen en introduceerde een stam van Staphylococcus aureus, een bacterie die vaak biofilm-geassocieerde infecties veroorzaakt bij orthopedische operaties. De bacteriën zijn ontworpen om licht af te geven, waardoor de onderzoekers de infectie in de loop van de tijd niet-invasief kunnen volgen.

Miller zegt dat na 14 dagen infectie bij muizen die een antibioticavrije coating op de pinnen kregen, alle muizen hadden overvloedige bacteriën in het geïnfecteerde weefsel rond het kniegewricht, en 80 procent had bacteriën op het oppervlak van het implantaat. In tegenstelling tot, na dezelfde periode bij muizen die pinnen kregen met een linezolid-rifampicine- of daptomycine-rifampicine-coating, geen van de muizen had detecteerbare bacteriën op de implantaten of in het omringende weefsel.

"Met deze coating hebben we de infectie volledig kunnen uitroeien, " zegt Miller. "De meeste andere benaderingen verminderen alleen het aantal bacteriën, maar voorkomen in het algemeen of op betrouwbare wijze infecties niet."

Na de test van twee weken, elk van de gewrichten en aangrenzende botten van de knaagdieren werden verwijderd voor verder onderzoek. Miller en Mao ontdekten dat niet alleen infectie was voorkomen, maar het botverlies dat vaak wordt gezien in de buurt van geïnfecteerde gewrichten - waardoor de prothese losraakt bij patiënten - was ook volledig vermeden bij dieren die pinnen kregen met de met antibiotica beladen coating.

Miller benadrukte dat verder onderzoek nodig is om de werkzaamheid en veiligheid van de coating bij mensen te testen, en bij het uitzoeken welke patiënten het beste baat zouden hebben bij de coating - mensen met een eerdere infectie van een gewrichtsprothese die een nieuw vervangend gewricht krijgen, bijvoorbeeld.

De polymeren die ze gebruikten om de nanovezelcoating te genereren, zijn al gebruikt in veel goedgekeurde apparaten door de Amerikaanse Food and Drug Administration, zoals afbreekbare hechtingen, botplaten en medicijnafgiftesystemen.