I en proof-of-concept studie med möss, forskare vid Johns Hopkins University visar att en ny beläggning som de gjort med antibiotika-frisättande nanofibrer har potential att bättre förebygga åtminstone några allvarliga bakterieinfektioner relaterade till total ledbytesoperation.

En rapport om studien, publicerad online veckan den 24 oktober Förfaranden från National Academy of Sciences , genomfördes på gnagarnas knäleder, men, säger forskarna, tekniken skulle ha "bred tillämpbarhet" vid användning av ortopediska proteser, till exempel höft- och knäbyte, liksom pacemakers, stenter och andra implanterbara medicintekniska produkter. Till skillnad från andra beläggningar under utveckling, forskarna rapporterar att det nya materialet kan släppa ut flera antibiotika på ett strategiskt tidsbestämt sätt för en optimal effekt.

"Vi kan eventuellt täcka alla metallimplantat som vi lägger på patienter, från protetiska leder, stavar, skruvar och plattor till pacemaker, implanterbara defibrillatorer och tandhårdvara, "säger författare till studien Lloyd S. Miller, M.D., Ph.D., docent i dermatologi och ortopedisk kirurgi vid Johns Hopkins University School of Medicine.

Kirurger och biomedicinska ingenjörer har i åratal letat efter bättre sätt - inklusive antibiotiska beläggningar - för att minska risken för infektioner som är en känd komplikation vid implantation av artificiell höft, knä- och axelleder.

Varje år i USA, uppskattningsvis 1 till 2 procent av de mer än 1 miljon höft- och knäbytesoperationer följs av infektioner kopplade till bildandet av biofilm - skikt av bakterier som fäster vid en yta, bildar en tät, ogenomtränglig matris av proteiner, socker och DNA. Omedelbart efter operationen, en akut infektion orsakar svullnad och rodnad som ofta kan behandlas med intravenös antibiotika. Men hos vissa människor, lågkvalitativa kroniska infektioner kan pågå i flera månader, orsakar benförlust som leder till att implantatet lossnar och slutligen misslyckas med den nya protesen. Dessa infektioner är mycket svåra att behandla och i många fall av kronisk infektion, proteser måste tas bort och patienter placeras på långa antibiotikakurer innan en ny protes kan implanteras. Kostnaden per patient överstiger ofta $ 100, 000 för att behandla en biofilmassocierad protesinfektion, Säger Miller.

Stora nackdelar med befintliga alternativ för lokal antibiotikabehandling, såsom antibiotika-laddat cement, pärlor, distanser eller pulver, under implantation av medicinsk utrustning är att de vanligtvis bara kan leverera ett antibiotikum åt gången och frisättningshastigheten är inte välkontrollerad. För att utveckla ett bättre tillvägagångssätt som löser dessa problem, Miller samarbetade med Hai-Quan Mao, Ph.D., professor i materialvetenskap och teknik vid Johns Hopkins University Whiting School of Engineering, och medlem i Institute for NanoBioTechnology, Whitaker Biomedical Engineering Institute och Translational Tissue Engineering Center.

Över tre år, laget fokuserade på att designa en tunn, biologiskt nedbrytbar plastbeläggning som kan frigöra flera antibiotika i önskad takt. Denna beläggning består av ett nanofibernät inbäddat i en tunn film; båda komponenterna är tillverkade av polymerer som används för nedbrytbara suturer.

För att testa teknikens förmåga att förhindra infektion, forskarna laddade nanofiberbeläggningen med antibiotikumet rifampin i kombination med ett av tre andra antibiotika:vankomycin, daptomycin eller linezolid. "Rifampin har utmärkt anti-biofilmaktivitet men kan inte användas ensam eftersom bakterier snabbt skulle utveckla resistens, "säger Miller. Beläggningarna släppte vankomycin, daptomycin eller linezolid i sju till 14 dagar och rifampin under tre till fem dagar. "Vi kunde distribuera två antibiotika mot potentiell infektion samtidigt som vi säkerställde att rifampin aldrig fanns som ett enda medel, Säger Miller.

Teamet använde sedan varje kombination för att belägga titan Kirschner -trådar - en typ av stift som används vid ortopedisk kirurgi för att fixera ben på plats efter handledsfrakturer - satte in dem i knälederna hos bedövade möss och introducerade en stam av Staphylococcus aureus, en bakterie som vanligtvis orsakar biofilmassocierade infektioner vid ortopediska operationer. Bakterierna konstruerades för att avge ljus, tillåter forskarna att noninvasively spåra infektion över tid.

Miller säger att efter 14 dagars infektion hos möss som fick en antibiotikafri beläggning på stiften, alla möss hade rikliga bakterier i den infekterade vävnaden runt knäleden, och 80 procent hade bakterier på ytan av implantatet. I kontrast, efter samma tidsperiod hos möss som fick stift med antingen linezolid-rifampin eller daptomycin-rifampin-beläggning, ingen av mössen hade påvisbara bakterier vare sig på implantaten eller i den omgivande vävnaden.

"Vi kunde helt utrota infektion med denna beläggning, "säger Miller." De flesta andra tillvägagångssätt minskar bara antalet bakterier men förhindrar inte generellt eller pålitligt infektioner. "

Efter två veckors test, var och en av gnagarnas leder och intilliggande ben avlägsnades för ytterligare studier. Miller och Mao fann att infektion inte bara hade förhindrats, men benförlusten som ofta ses nära infekterade leder-vilket skapar en protetisk lossning hos patienter-hade också helt undvikits hos djur som fick stift med den antibiotikaladdade beläggningen.

Miller betonade att ytterligare forskning behövs för att testa effektiviteten och säkerheten hos beläggningen hos människor, och vid sortering av vilka patienter som skulle ha bäst nytta av beläggningen - personer med en tidigare protesledinfektion som fick en ny ersättningsfog, till exempel.

Polymererna de använde för att generera nanofiberbeläggningen har redan använts i många godkända enheter av U.S. Food and Drug Administration, såsom nedbrytbara suturer, benplattor och läkemedelsleveranssystem.