Комплексная оценка результата имплантации внутрикостных конструкций с медьсодержащим покрытием в условиях эксперимента у животных при глубокой грам-отрицательной инфекции бедра

Обоснование. Резистентность патогенных микроорганизмов к антибактериальной терапии при явлениях перипротезной инфекции является причиной хронического течения и невозможности купирования воспалительного процесса. Использование имплантатов с антибактериальным покрытием открывает новые возможности для профилактики и эффективного лечения послеоперационных осложнений инфекционного характера при операциях с применением небиотических имплантатов.

Цель исследования. Осуществить комплексную оценку клинических и параклинических показателей у животных с моделированной грам-отрицательной периимплантной инфекцией бедренной кости при использовании интрамедуллярных титановых стержней без покрытия и с медьсодержащим покрытием на основе аморфного наноуглерода.

Материалы и методы. Материалом исследований послужили показатели выраженности нарушений стато-динамической функции, выраженности локальных признаков воспаления, динамика массы тела животного, а также патоморфологическая картина течения заболевания двух сравниваемых групп животных (каждая группа включала 16 особей) с моделью периимплантной глубокой инфекции бедра с этиотропным агентом в виде музейного штамма P. aeruginosa. Оценка результатов лечения учитывала сумму критериев. Критерий выражался в баллах от 0 до 4. В экспериментальных операциях применялись интрамедуллярные имплантаты из титанового сплава без покрытия (контрольная группа) и с покрытием на основе аморфного наноуглерода, содержащего микрочастицы меди в определенной концентрации (основная группа). Исследования проводились на 3, 7, 14 и 28 сутки. Применялись клинический, электронно-микроскопический, лучевой и статистический методы исследований.

Результаты. Выявлено, что использование инновационных имплантатов с медьсодержащим покрытием при грам-отрицательном остеомиелите бедренной кости у лабораторных крыс обеспечивает оптимальный результат лечения в виде отсутствия у них гиподинамии, снижения массы тела, обширной площади остеолизиса и массива некротических тканей. Суммарная оценка результата у животных контрольной группы составила 11,7 балла (неудовлетворительный исход), в основной группе — 4,7 балла (хороший результат). Статистический расчет различия определил их существенную достоверную разницу (t=11,32; df=30, p=0,01).

Заключение. Комплексное изучение воспалительной реакции при использовании имплантатов с покрытием на основе аморфного наноуглерода с частицами меди в условиях экспериментальной грам-отрицательной инфекции позволяет рассматривать данный тип имплантатов как перспективный инструмент для решения проблем лечения и профилактики перипротезной инфекции и остеомиелита в клинической практике.

1. Trampuz A., Zimmerli W. Diagnosis and treatment of implant-associated septic arthritis and osteomyelitis. Curr Infect Dis Rep. 2008; 10: 394-403. https://doi.org/10.1007/s11908-008-0064-1

2. del Pozo J.L., Patel R. The challenge of treating biofilm-associated bacterial infections. Clin Pharmacol Ther. 2007;82:204-9. https://doi.org/10.1038/sj.clpt.6100247

3. Arciola C.R., Campoccia D., Montanaro L. Implant infections: adhesion, biofilm formation and immune evasion. Nat Rev Microbiol. 2018; 16(7): 397-409. https://doi.org/10.1038/s41579-018-0019-y

4. Cerioli M., Batailler C., Conrad A., Roux S., Perpoint T., Becker A., et al. Pseudomonas aeruginosa Implant-Associated Bone and Joint Infections: Experience in a Regional Reference Center in France. Front Med. 2020; 7: 513242. https://doi.org/10.3389/fmed.2020.513242

5. Zimmerli W., Trampuz A., Ochsner P.E. Prosthetic-joint infections. N Engl J Med. 2004; 351: 1645-54. https://doi.org/10.1056/NEJMra040181

6. Murillo O., Grau I., Lora-Tamayo J., Gomez-Junyent J., Ribera A., Tubau F., et al. The changing epidemiology of bacteraemic osteoarticular infections in the early 21st century. Clin Microbiol Infect. 2015; 21: 254.e1-8. https://doi.org/10.1016/j.cmi.2014.09.007

7. Moran E., Masters S., Berendt A.R., McLardy-Smith P., Byren I., Atkins B.L. Guiding empirical antibiotic therapy in orthopaedics: the microbiology of prosthetic joint infection managed by debridement, irrigation and prosthesis retention. J Infect. 2007; 55: 1-7. https://doi.org/10.1016/j.jinf.2007.01.007

8. Hsieh PH, Lee MS, Hsu KY, Chang YH, Shih HN, Ueng SW. Gram-negative prosthetic joint infections: risk factors and outcome of treatment. Clin Infect Dis. 2009; 49: 1036-43. https://doi.org/10.1086/605593

9. Плиска Н.Н. Микроорганизмы, выделенные при подозрении на перипротезную инфекцию, их чувствительность. Фармакология, клиническая фармакология. 2023;22(2):34-42. https://doi.org/10.37903/vsgma.2023.2.5

10. Sudduth J.D., Moss J.A., Spitler C.A., Pham V.H., Jones L.C., Brown J.T., et al. Open fractures: are we still treating the same types of infections? Surg Infect. 2020. https://doi.org/10.1089/sur.2019.140

11. Legout L., Senneville E., Stern R., Yazdanpanah Y., Savage C., Roussel-Delvalez M., et al. Treatment of bone and joint infections caused by Gram-negative bacilli with a cefepime-fluoroquinolone combination. Clin Microbiol Infect. 2006; 12: 1030-3. https://doi.org/10.1111/j.1469-0691.2006.01523.x

12. Zmistowski B., Fedorka C.J., Sheehan E., Deirmengian G., Austin M.S., Parvizi J. Prosthetic joint infection caused by gram-negative organisms. J Arthroplasty. 2011; 26(6 Suppl): 104-8. https://doi.org/10.1016/j.arth.2011.03.044

13. Sculco TP. The economic impact of infected joint arthroplasty. Orthopedics. 1995; 18: 871-3.

14. Triffault-Fillit C., Ferry T., Laurent F., Pradat P., Dupieux C., Conrad A., et al. Microbiologic epidemiology depending on time to occurrence of prosthetic joint infection: a prospective cohort study. Clin Microbiol Infect. 2018; 25: 353-8. https://doi.org/10.1016/j.cmi.2018.04.035

15. Pestrak MJ, Chaney SB, Eggleston HC, Dellos-Nolan S, Dixit S, Mathew-Steiner SS, et al. Pseudomonas aeruginosa rugose small-colony variants evade host clearance, are hyper-inflammatory, and persist in multiple host environments. PLoS Pathog. 2018; 14: e1006842. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1006842

16. Склеенова Е.Ю., Азизов И.С., Шек Е.А., Эйдельштейн М.В., Козлов Р.С., Дехнич А.В. Pseudomonas aeruginosa в РФ: история одного из наиболее успешных нозокомиальных патогенов. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2018; 20(3): 164-171. https://doi.org/10.36488/cmac.2018.3.164-171

17. Esmaeilnejad A., Mahmoudi P., Zamanian A., Mozafari M. Synthesis of titanium oxide nanotubes and their decoration by MnO nanoparticles for biomedical applications. Ceram Int. 2019; 45(15): 19275-19282. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.06.170

18. Atefyekta S., Ercan B., Karlsson J., Taylor E., Chung S., Webster T.J., Andersson M. Antimicrobial performance of mesoporous titania thin films: role of pore size, hydrophobicity, and antibiotic release. Int J Nanomed. 2016; 11: 977-990. https://doi.org/10.2147/IJN.S92605

19. Li B., Xia X., Guo M., Jiang Y., Li Y., Zhang Z., et al. Biological and antibacterial properties of the micro-nanostructured hydroxyapatite/chitosan coating on titanium. Sci Rep. 2019; 9(1): 14. https://doi.org/10.1038/s41598-018-36436-6

20. Akhtar M.A., Ilyas K., Dlouhy I., Siska F., Boccaccini A.R. Electrophoretic deposition of copper(II)-Chitosan complexes for antibacterial coatings. Int J Mol Sci. 2020; 21(7): 2637. https://doi.org/10.3390/ijms21072637

21. Malcher M., Volodkin D., Heurtault B., Andre P., Schaaf P., Mohwald H., et al. Embedded silver ions-containing liposomes in polyelectrolyte multilayers: cargos films for antibacterial agents. Langmuir. 2008; 24(18): 10209-10215. https://doi.org/10.1021/la8014755

22. Arkusz K., Paradowska E., Nycz M., Mazurek-Popczyk J., Baldy-Chudzik K. Evaluation of the antibacterial activity of Ag-and Au nanoparticles loaded TiO2 nanotubes. J Biomed Nanotechnol. 2020; 16(9): 1416-1425. https://doi.org/10.1166/jbn.2020.2976

23. Ding Z., Wang Y., Zhou Q., Ding Z., Wu Y., Zhu Y., et al. The preparation and properties of multilayer Cu-MTa2O5 composite coatings on Ti6Al4V for biomedical applications. Nanomaterials. 2019; 9(10): 1498. https://doi.org/10.3390/nano9101498

24. Vu A.A., Robertson S.F., Ke D., Bandyopadhyay A., Bose S. Mechanical and biological properties of ZnO, SiO2, and Ag2O doped plasma sprayed hydroxyapatite coating for orthopaedic and dental applications. Acta Biomater. 2019; 92: 325-335. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.05.020

25. de Bie P., Muller P., Wijmenga C., Klomp L.W. Molecular pathogenesis of Wilson and Menkes disease: correlation of mutations with molecular defects and disease phenotypes. J Med Genet. 2007; 44(11): 673-688. https://doi.org/10.1136/jmg.2007.052746

26. Авдеева Е.Ю., Слизовский Г.В., Скороходова М.Г., и др. Моделирование травматического остеомиелита у крыс в эксперименте. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2016; 161(1): 157-160. EDN: VHIAHB.

27. Овчинников Е.Н., Дюрягина О.В., Стогов М.В., и др. Модель остеомиелита у крыс. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2022; 173(3):3 95-399. https://doi.org/10.47056/03655-9615-2022-173-3-395-399

28. Rissing J.P., Buxton T.B., Weinstein R.S., Shockley R.K. Model of experimental chronic osteomyelitis in rats. Infection and Immunity. 1985; 47(3): 581-586. https://doi.org/10.1128/iai.47.3.581-586.1985

29. Tiemann A., Hofmann G.O., Krukemeyer M.G., Krenn V., Langwald S. Histopathological Osteomyelitis Evaluation Score (HOES) an innovative approach to histopathological diagnostics and scoring of osteomyelitis. GMS Interdisciplinary Plastic and Reconstructive Surgery DGPW. 2014; 3: Doc08. https://doi.org/10.3205/iprs00004