Summary

Ein periprothetisches Gelenk-Candida albicans-Infektionsmodell in der Maus

Published: February 02, 2024
doi:

Summary

Periprothetische Gelenkinfektionen (PJI), die durch gefährliche Krankheitserreger verursacht werden, sind in der klinischen Orthopädie weit verbreitet. Bestehende Tiermodelle können die tatsächliche Situation von PJI nicht genau simulieren. Hier haben wir ein Candida albicans-Biofilm-assoziiertes PJI-Mausmodell etabliert, um neue Therapeutika für PJI zu erforschen und zu entwickeln.

Abstract

Die periprothetische Gelenkinfektion (PJI) ist eine der häufigsten Infektionen, die durch Candida albicans (C. albicans) verursacht wird und zunehmend Chirurgen und Wissenschaftler beunruhigt. In der Regel bilden sich an der Infektionsstelle Biofilme, die C. albicans vor Antibiotika und Immunclearance schützen können. Die Operation, die die Entfernung des infizierten Implantats, das Debridement, die antimikrobielle Behandlung und die Reimplantation umfasst, ist der Goldstandard für die Behandlung von PJI. Daher ist die Etablierung von tierischen PJI-Modellen von großer Bedeutung für die Erforschung und Entwicklung neuer Medikamente oder Therapeutika für PJI. In dieser Studie wurde ein glatter Draht aus einer Nickel-Titan-Legierung, ein in orthopädischen Kliniken weit verbreitetes Implantat, in das Femurgelenk einer C57BL/6-Maus eingeführt, bevor die C. albicans in die Gelenkhöhle entlang des Drahtes inokuliert wurden. Nach 14 Tagen wurden reife und dicke Biofilme auf der Oberfläche von Implantaten unter dem Rasterelektronik-Mikroskop (REM) beobachtet. Eine signifikant reduzierte Knochentrabekel wurde in der H&E-Färbung der infizierten Gelenkproben gefunden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Maus-PJI-Modell mit den Vorteilen einer einfachen Bedienung, einer hohen Erfolgsrate, einer hohen Wiederholbarkeit und einer hohen klinischen Korrelation etabliert wurde. Es wird erwartet, dass dies ein wichtiges Modell für klinische Studien zur Biofilm-bedingten PJI-Prävention von C. albicans sein wird.

Introduction

Candida albicans (C. albicans) kommt kommensal in vielen Teilen des menschlichen Körpers vor1 und ist auch der häufigste opportunistische Erreger, der lebensbedrohliche invasive Pilzinfektionen verursacht, insbesondere bei immungeschwächten Patienten 2,3. C. albicans kann sich als polymorpher Pilz zwischen Hefe- und Myzelzuständen wandeln. Der Myzelzustand weist eine höhere Virulenz, stärkere Adhäsion und Invasion von Zellen und Geweben auf 4,5. Außerdem können C. albicans Biofilme auf den Oberflächen von biomedizinischen Materialien wie Zahnersatz, Katheter und Stents bilden 1,6,7. Die dichte dreidimensionale Struktur von Biofilmen schränkt die Infiltration von Antimykotika ein, exprimiert arzneimittelresistente Gene und reguliert den Stoffwechsel von Pilzzellen herunter, um der Clearance des Immunsystems zu widerstehen 6,7. Daher sind Biofilm-bedingte Infektionen in Kliniken eine große Herausforderung8.

Staphylococcus aureus, Koagulase-negative Staphylokokken und Enterobacter sind die Haupterreger von PJI9. Obwohl die Inzidenz von Pilz-PJI relativ gering ist (ca. 1 %)10, sind die Behandlungskosten von Pilz-PJI höher11, der Behandlungszyklus ist länger11 und die Behandlungserfolgsrate ist niedriger10 als bei bakterieller PJI. In den letzten Jahren hat die Inzidenz von Pilz-PJI von Jahr zu Jahr zugenommen10. Candida PJI macht 77%-84% der pilzlichen PJIaus 10,12, und C. albicans ist der häufigste in Candida (54%). Daher muss die PJI von Pilzen untersucht werden.

Derzeit wird PJI durch eine Revisionsoperation behandelt, indem (1) das infizierte Implantat entfernt wird, (2) ein Debridement, (3) eine antimikrobielle Behandlung und (4) eine Reimplantation durchgeführt wird. Nach einem gründlichen Debridement wird ein Antibiotikum mit Knochenzement eingesetzt, und der Patient wird mehr als 6 Wochen lang systemisch mit Antibiotika behandelt, um die Infektion effektiv zu kontrollieren, bevor ein neues Implantat eingesetzt wird13. Diese Methode kann jedoch Krankheitserreger im Gewebe nicht vollständig eliminieren, und rezidivierende Infektionen, die mit einer antimikrobiellen Langzeittherapie behandelt werden, entwickeln sich mit hoher Wahrscheinlichkeit bei arzneimittelresistenten Stämmen 14,15,16.

Die Etablierung von Tiermodellen für PJI ist wichtig für die Erforschung und Entwicklung neuer Medikamente oder Therapeutika für PJI. Bei der Entwicklung von PJI bilden sich große Tote um die Prothese herum, was zur Bildung von Hämatomen führt, die die Blutversorgung des umliegenden Gewebes weiter blockieren und die Wirkung von Antibiotika beeinträchtigen11,15. Aufgrund der Schwierigkeit, die Umgebung der Prothese nachzuahmen, können herkömmliche Tiermodelle die tatsächliche Situation von PJI17,18 nicht genau simulieren.

In dieser Arbeit wurde ein C. albicans-Biofilm-assoziiertes PJI-Modell in Mäusen konstruiert, indem ein klinisch weit verbreiteter Titan-Nickel-Draht verwendet wurde, um Gelenkimplantate zu simulieren19,20. Dieses PJI-Modell weist die Vorteile einer einfachen Bedienung, einer hohen Erfolgsrate, einer hohen Wiederholbarkeit und einer hohen klinischen Korrelation auf. Es wird erwartet, dass es ein wichtiges Modell für die Untersuchung der Prävention und Behandlung von C. albicans-Biofilm-assoziierten PJI sein wird.

Protocol

Die Tiere wurden von der Xi’an Jiaotong Universität gekauft. Alle Tierversuchsverfahren wurden vom Institutional Animal Ethics Committee der Xi’an Jiaotong University genehmigt (Zulassungsnummer: SCXK [Shaanxi] 2021-103). Die Mäuse wurden eine Woche lang mit 5 Mäusen pro Käfig gehalten. Sie erhielten freien Zugang zu Nahrung und Wasser. Die Tiere wurden vor der Durchführung der Studie bei Raumtemperatur (RT; 24 °C ± 1 °C) und Hell-Dunkel-Zyklus (12 h/12 h) gehalten. 1. Vorbereitu…

Representative Results

Die Übertragung der Proben auf ein Plattenmedium und die Zählung der Kolonien nach der Inkubation über Nacht wird üblicherweise verwendet, um die lokale Erregerlast in der Nähe der Läsion zu beurteilen22,23. In unserer Studie war die mikrobielle Kultur von Leber-, Nieren- und Milzproben negativ, was darauf hindeutet, dass das Modell in dieser Studie bei den Mäusen nur zu einer lokalen Infektion statt zu einer systemischen Infektion führte<sup class="xref"…

Discussion

Die Infektion, die durch die Kontamination von chirurgischen Instrumenten oder der chirurgischen Umgebung während der Operation verursacht wird, ist die Hauptursache für die meisten Implantatinfektionen 24,25,26,27. Daher wurde in dieser Arbeit ein Maus-C. albicans-Biofilm-bezogenes PJI-Modell konstruiert. Im Vergleich zum traditionellen PJI-Modell, bei dem sterile, in Kochsalzlösun…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir sind dankbar für die finanzielle Unterstützung durch die Natural Science Foundation of Shaanxi Province (Fördernummer 2021SF-118) und die National Natural Science Foundation of China (Fördernummern 81973409, 82204631).

Materials

0.5 Mactutrius turbidibris Shanghai Lujing Technology Co., Ltd 5106063
4 °C refrigerator Electrolux (China) Electric Co., Ltd ESE6539TA
Agar Beijing Aoboxing Bio-tech Co., Ltd 01-023
Analytical balances Shimadzu ATX124
Autoclaves Sterilizer SANYO MLS-3750
Carbenicillin Amresco C0885
Eclipse Ci Nikon upright optical microscope  Nikon Eclipse Ts2-FL
Glucose Macklin  D823520
Inoculation ring Thermo Scientific 251586
Isoflurane RWD 20210103
NaCl Xi'an Jingxi Shuanghe Pharmaceutical Co., Ltd 20180108
Paraformaldehyde Beyotime Biotechnology P0099
Peptone Beijing Aoboxing Bio-tech Co., Ltd 01-001
RWD R550 multi-channel small animal anesthesia machine  RWD R550
SEM Hitachi TM-1000
Temperature incubator Shanghai Zhichu Instrument Co., Ltd ZQTY-50N
Ultrapure water water generator Heal Force NW20VF
Ultrasound machine Do-Chrom DS10260D
Yeast extract Thermo Scientific Oxoid LP0021B

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Diesen Artikel zitieren
Yang, C., Zhang, J., Mo, F., Zhang, P., Li, Q., Zhang, J. A Periprosthetic Joint Candida albicans Infection Model in Mouse. J. Vis. Exp. (204), e65263, doi:10.3791/65263 (2024).

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