Разработка и изучение антибактериальных покрытий in situ для обработки имплантатов

Введение. Перипротезные инфекции являются серьезной проблемой ортопедической хирургии. Наиболее оптимальный способ воздействия на бактериальную пленку заключается в подавлении ранних стадий ее образования. Использование гидрогелевых покрытий для профилактики перипротезных инфекций является эффективной мерой, при этом процесс нанесения покрытия на имплантат можно упростить благодаря применению технологии создания in situ систем.

Цель. Целью исследования является разработка и изучение антибактериальных in situ покрытий для предоперационной обработки имплантатов.

Материалы и методы. В эксперименте использовали полоксамеры Kolliphor® P 407 и Kolliphor® P 188 (BASF, Германия), гиалуроновую кислоту высокомолекулярную PrincipHYAL® (1400–1800 кДа), низкомолекулярную PrincipHYAL® (400–600 кДа), смесь из высоко-, средне- и низкомолекулярных кислот PrincipHYAL® Cube3 (ROELMI HPC Srl, Италия). В качестве скрининговых методов для выявления оптимальной композиции использовали измерение температуры гелеобразования, изучение рН, реологические исследования, микробиологические тесты.

Результаты и обсуждение. В ходе эксперимента была установлена оптимальная концентрация гиалуроновой кислоты 1400–1800 кДа – 0,5 %, при которой полученный состав при температуре 4,5 ± 0,5 °С представлял собой гомогенную жидкость, а при нагревании осуществлял золь-гель переход. Было выявлено, что гиалуроновая кислота не оказывает значительного влияния на температуру гелеобразования, в связи с чем добавили полоксамер 188. Было установлено влияние молекулярной массы гиалуроновой кислоты на характеристики систем in situ. Высокомолекулярная гиалуроновая кислота стабилизировала показатели вязкости и улучшила адгезивные свойства системы, образцы с низкомолекулярной гиалуроновой кислотой, а также смесью из высоко-, средне- и низкомолекулярных кислот продемонстрировали меньшие показатели динамической вязкости по окончании фазового золь-гель перехода. Было проведено исследование адгезии оптимального состава, содержащего 18,0 % полоксамера 407, 2 % полоксамера 188 и 0,5 % гиалуроновой кислоты (1400–1800 кДа), к титановой пластине. При воздействии лопастной мешалки (скорость вращения 20 об/мин) в течение 15 минут и при хранении в термостате (37,0 ± 0,5 °С) в течение недели анализируемый состав продемонстрировал прочность адгезии, что обусловливает возможность использования его для создания покрытия.

Заключение. Путем многостадийного скрининга был отобран образец для введения модельного антибактериального компонента, представляющего собой коктейль бактериофагов Klebsiella pneumonia, Staphylococcus aureus, Escherichia coli. Микробиологические исследования показали хорошую совместимость иммунобиологической субстанции со вспомогательными веществами, что обозначило перспективность проведения дальнейших доклинических исследований.

1. Kucharíková S., Gerits E., De Brucker K., Braem A., Ceh K., Majdič G., Španič T., Pogorevc E., Verstraeten N., Tournu H., Delattin N., Impellizzeri F., Erdtmann M., Krona A., Lövenklev M., Knezevic M., Fröhlich M., Vleugels J., Fauvart M., de Silva W. J., Vandamme K., Garcia-Forgas J., Cammue B. P. A., Michiels J., Van Dijck P., Thevissen K. Covalent immobilization of antimicrobial agents on titanium prevents Staphylococcus aureus and Candida albicans colonization and biofilm formation. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 2016;71(4):936–945. DOI: 10.1093/jac/dkv437.

2. Klug A., Gramlich Y., Rudert M., Drees P., Hoffmann R., Weißenberger M., Kutzner K. P. The projected volume of primary and revision total knee arthroplasty will place an immense burden on future health care systems over the next 30 years. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2021;29(10):3287–3298. DOI: 10.1007/s00167-020-06154-7.

3. Филь А. С., Тараканов В. Н., Куляба Т. А., Корнилов Н. Н. Тренды в первичной артропластике коленного сустава в Национальном медицинском исследовательском центре травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена и их сравнительный анализ с данными международных национальных регистров: схож ли наш путь? Гений Ортопедии. 202;26(4):476–483. DOI: 10.18019/1028-4427-2020-26-4-476-483.

4. Бахрушина Е. О., Анурова М. Н., Алешкин А. В., Демина Н. Б., Краснюк И. И., Пятигорская Н. В., Береговых В. В. Некоторые аспекты применения и создания лекарственных препаратов бактериофагов. Вестник Российской академии медицинских наук. 2021;76(4):351–360. DOI: 10.15690/vramn1380.

5. Cano E. J., Caflisch K. M., Bollyky P. L., Van Belleghem J. D., Patel R., Fackler J., Brownstein M. J., Horne B., Biswas B., Henry M., Malagon F., Lewallen D. G., Suh G. A. Phage Therapy for Limb-threatening Prosthetic Knee Klebsiella pneumoniae Infection: Case Report and In Vitro Characterization of Anti-biofilm Activity. Clin Infect Dis. 2021;73(1):144–151. DOI: 10.1093/cid/ciaa705.

6. Lamret F., Colin M., Mongaret C., Gangloff S. C., Reffuveille F. Antibiotic Tolerance of Staphylococcus aureus Biofilm in Periprosthetic Joint Infections and Antibiofilm Strategies. Antibiotics. 2020;9(9):547. DOI: 10.3390/antibiotics9090547.

7. Ferry T., Batailler C., Petitjean C., Chateau J., Fevre C., Forestier E., Brosset S., Leboucher G., Kolenda C., Laurent F., Lustig S. The Potential Innovative Use of Bacteriophages Within the DAC® Hydrogel to Treat Patients With Knee Megaprosthesis Infection Requiring «Debridement Antibiotics and Implant Retention» and Soft Tissue Coverage as Salvage Therapy. Frontiers in Medicine. 2020;7:342. DOI: 10.3389/fmed.2020.00342.

8. Бахрушина Е. О., Демина Н. Б., Шумкова М. М., Родюк П. С., Шуликина Д. С., Краснюк И. И. Интраназальные системы доставки in situ: перспективы применения и основные фармацевтические аспекты разработки (обзор). Разработка и регистрация лекарственных средств. 2021;10(4):54–63. DOI: 10.33380/2305-2066-2021-10-4-54-63.

9. Ijaz U., Sohail M., Usman Minhas M., Khan S., Hussain Z., Kazi M., Ahmed Shah S., Mahmood A., Maniruzzaman M. Biofunctional Hyaluronic Acid/κ-Carrageenan Injectable Hydrogels for Improved Drug Delivery and Wound Healing. Polymers. 2022;14(3):376. DOI: 10.3390/polym14030376.

10. Vigani B., Rossi S., Sandri G., Bonferoni M. C., Caramella C. M., Ferrari F. Recent Advances in the Development of In Situ Gelling Drug Delivery Systems for Non-Parenteral Administration Routes. Pharmaceutics. 2020;12(9):859. DOI: 10.3390/pharmaceutics12090859.

11. Бахрушина Е. О., Анурова М. Н., Бочкарева С. С., Воробьев А. М., Щербина Ю. О., Пасивкина М. А., Крехтунова Л. О., Демина Н. Б., Алешкин А. В. Разработка и изучение ушных капель с бактериофагами для лечения инфекционных отитов, осложненных P. aeruginosa. Разработка и регистрация лекарственных средств. 2022;11(2):74–78. DOI: 10.33380/2305-2066-2022-11-2-74-78.

12. Ruan X., Hu J., Lu L., Wang Y., Tang C., Liu F., Gao X., Zhang L., Wu H., Huang X., Wei Q. Poloxamer 407/188 Binary Thermosensitive Gel as a Moxidectin Delivery System: In Vitro Release and In Vivo Evaluation. Molecules. 2022;27(10):3063. DOI: 10.3390/molecules27103063.

13. Russo E., Villa C. Poloxamer Hydrogels for Biomedical Applications. Pharmaceutics. 2019;11(12):671. DOI: 10.3390/pharmaceutics11120671.

14. Mariano K. C. F., Papini J. Z. B., de Faria N. C., Heluany D. N. C., Botega A. L. L., Cereda C. M. S., de Paula E., Tófoli G. R., de Araujo D. R. Ropivacaine-Loaded Poloxamer Binary Hydrogels for Prolonged Regional Anesthesia: Structural Aspects, Biocompatibility, and Pharmacological Evaluation. BioMed Research International. 2021;2021:7300098. DOI: 10.1155/2021/7300098.

15. Cui N., Dai C. Y., Mao X., Lv X., Gu Y., Lee E. S., Jiang H. B., Sun Y. Poloxamer-Based Scaffolds for Tissue Engineering Applications: A Review. Gels. 202;8(6):360. DOI: 10.3390/gels8060360.

16. Alexandridis P., Holzwarth J. F., Hatton T. A. Micellization of Poly(Ethylene Oxide)-Poly(Propylene Oxide)-Poly(Ethylene Oxide) Triblock Copolymers in Aqueous-Solutions-Thermodynamics of Copolymer Association. Macromolecules. 1994;27:2414–2425. DOI: 10.1021/MA00087A009.

17. Del Castillo-Santaella T., Yang Y., Martínez-González I., Gálvez-Ruiz M. J., Cabrerizo-Vílchez M. Á., Holgado-Terriza J. A., Selles-Galiana F., Maldonado-Valderrama J. Effect of Hyaluronic Acid and Pluronic-F68 on the Surface Properties of Foam as a Delivery System for Polidocanol in Sclerotherapy. Pharmaceutics. 2020;12(11):1039. DOI: 10.3390/pharmaceutics12111039.

18. Barbosa de Souza A., Vinícius Chaud M., Francine Alves T., Ferreira de Souza J., Andrade Santana M. H. Hyaluronic Acid in the Intestinal Tract: Influence of Structure, Rheology, and Mucoadhesion on the Intestinal Uptake in Rats. Biomolecules. 2020;10(10):1422. DOI: 10.3390/biom10101422.

19. Bassi da Silva J., de Souza Ferreira S. B., Reis A. V., Cook M. T., Bruschi M. L. Assessing Mucoadhesion in Polymer Gels: The Effect of Method Type and Instrument Variables. Polymers. 2018;10(3):254. DOI: 10.3390/polym10030254.

20. Mackie A. R., Goycoolea F. M., Menchicchi B., Caramella C. M., Saporito F., Lee S., Stephansen K., Chronakis I. S., Hiorth M., Adamczak M., Waldner M., Nielsen H. M., Marcelloni L. Innovative Methods and Applications in Mucoadhesion Research. Macromolecular Bioscience. 2017;17(8):1600534. DOI: 10.1002/mabi.201600534.