Summary

Un modello di infezione da Candida albicans articolare periprotesica nel topo

Published: February 02, 2024
doi:

Summary

L’infezione dell’articolazione periprotesica (PJI) causata da agenti patogeni pericolosi è comune in ortopedia clinica. I modelli animali esistenti non sono in grado di simulare accuratamente la situazione reale della PJI. Qui, abbiamo stabilito un modello murino di PJI associato al biofilm di Candida albicans per la ricerca e lo sviluppo di nuove terapie per la PJI.

Abstract

L’infezione dell’articolazione periprotesica (PJI) è una delle infezioni più comuni causate dalla Candida albicans (C. albicans), che preoccupa sempre più chirurghi e scienziati. Generalmente, nel sito di infezione si formano biofilm in grado di proteggere C. albicans dagli antibiotici e dalla clearance immunitaria. L’intervento chirurgico che comporta la rimozione dell’impianto infetto, lo sbrigliamento, il trattamento antimicrobico e il reimpianto è il gold standard per il trattamento della PJI. Pertanto, la creazione di modelli animali di PJI è di grande importanza per la ricerca e lo sviluppo di nuovi farmaci o terapie per la PJI. In questo studio, un filo liscio in lega di nichel-titanio, un impianto ampiamente utilizzato nelle cliniche ortopediche, è stato inserito nell’articolazione femorale di un topo C57BL/6 prima che i C. albicans venissero inoculati nella cavità articolare lungo il filo. Dopo 14 giorni, sono stati osservati biofilm maturi e spessi sulla superficie degli impianti sotto un microscopio elettronico a scansione (SEM). Una trabecola ossea significativamente ridotta è stata riscontrata nella colorazione H&E dei campioni articolari infetti. Per riassumere, è stato stabilito un modello PJI murino con i vantaggi di facilità d’uso, alto tasso di successo, alta ripetibilità e alta correlazione clinica. Si prevede che questo sarà un modello importante per gli studi clinici sulla prevenzione della PJI correlata al biofilm di C. albicans.

Introduction

La Candida albicans (C. albicans) risiede commensamente in molte parti del corpo umano1, ed è anche il patogeno opportunista più comune che causa infezioni fungine invasive potenzialmente letali, specialmente nei pazienti immunocompromessi 2,3. C. albicans può trasformarsi tra lo stato di lievito e quello di micelio come fungo polimorfo. Lo stato del micelio mostra una maggiore virulenza, una maggiore adesione e l’invasione di cellule e tessuti 4,5. Inoltre, C. albicans può formare biofilm sulle superfici di materiali biomedici come protesi dentarie, cateteri e stent 1,6,7. La densa struttura tridimensionale dei biofilm limita l’infiltrazione di farmaci antimicotici, esprime geni resistenti ai farmaci e sottoregola il metabolismo delle cellule fungine per resistere alla clearance del sistema immunitario 6,7. Pertanto, le infezioni correlate ai biofilm sono piuttosto impegnative nelle cliniche8.

Lo Staphylococcus aureus, lo stafilococco coagulasi-negativo e l’enterobacter sono i principali agenti patogeni che causano la PJI9. Sebbene l’incidenza della PJI fungina sia relativamente bassa (circa l’1%)10, il costo del trattamento della PJI fungina è più alto11, il ciclo di trattamento è più lungo11 e il tasso di successo del trattamento è inferiorea 10 rispetto alla PJI batterica. Negli ultimi anni, l’incidenza della PJI fungina è aumentata di annoin anno. La Candida PJI rappresenta il 77%-84% della PJI fungina10,12 e la C. albicans è la più comune nella Candida (54%). Pertanto, la PJI fungina deve essere studiata.

Attualmente, la PJI viene trattata tramite chirurgia di revisione (1) rimuovendo l’impianto infetto, (2) sbrigliando, (3) trattando con antimicrobici e (4) reimpiantando. Dopo un accurato sbrigliamento, viene posizionato un antibiotico contenente cemento osseo e il paziente viene trattato con antibiotici per via sistemica per più di 6 settimane per controllare efficacemente l’infezione prima che venga posizionato un nuovo impianto13. Tuttavia, questo metodo non è in grado di eliminare completamente gli agenti patogeni nei tessuti e le infezioni ricorrenti trattate con terapia antimicrobica a lungo termine hanno un’alta probabilità di svilupparsi in ceppi resistenti ai farmaci 14,15,16.

La creazione di modelli animali di PJI è importante per la ricerca e lo sviluppo di nuovi farmaci o terapie per la PJI. Nello sviluppo della PJI, si formano ampi spazi morti intorno alla protesi, portando alla formazione di ematomi, che bloccano ulteriormente l’afflusso di sangue ai tessuti circostanti e compromettono l’effetto degli antibiotici 11,15. A causa della difficoltà nell’imitare l’ambiente circostante della protesi, i modelli animali tradizionali non possono simulare accuratamente la situazione reale di PJI17,18.

In questo articolo, un modello PJI associato al biofilm di C. albicans nei topi è stato costruito utilizzando un filo di titanio-nichel clinicamente ampiamente utilizzato per simulare impianti articolari19,20. Questo modello PJI presenta i vantaggi di un funzionamento semplice, di un alto tasso di successo, di un’elevata ripetibilità e di un’elevata correlazione clinica. Si prevede che sarà un modello importante per lo studio della prevenzione e del trattamento della PJI correlata al biofilm di C. albicans.

Protocol

Gli animali sono stati acquistati dall’Università di Xi’an Jiaotong. Tutte le procedure di sperimentazione animale sono state approvate dall’Institutional Animal Ethical Committee dell’Università di Xi’an Jiaotong (numero di approvazione: SCXK [Shaanxi] 2021-103). I topi sono stati tenuti per una settimana con 5 topi per gabbia. A loro è stato permesso il libero accesso al cibo e all’acqua. Gli animali sono stati mantenuti a temperatura ambiente (RT; 24 °C ± 1 °C) e ciclo luce/buio (12 h/12 h) prima dell’esecuzione…

Representative Results

Il trasferimento dei campioni su un terreno di coltura e il conteggio delle colonie dopo l’incubazione notturna sono comunemente usati per valutare la carica patogena locale vicino alla lesione22,23. Nel nostro studio, la coltura microbica di campioni di fegato, rene e milza è risultata negativa, indicando che il modello in questo studio ha portato solo a un’infezione locale invece che a un’infezione sistemica nei topi23. <p class="jo…

Discussion

L’infezione causata dalla contaminazione degli strumenti chirurgici o dell’ambiente chirurgico durante l’intervento chirurgico è la causa principale della maggior parte delle infezioni implantari 24,25,26,27. Pertanto, in questo studio è stato costruito un modello di PJI correlato al biofilm di C. albicans del topo. Rispetto al modello PJI tradizionale in cui sono state utilizzate pa…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Siamo grati per il sostegno finanziario della Natural Science Foundation della provincia dello Shaanxi (numero di sovvenzione 2021SF-118) e della National Natural Science Foundation of China (numero di sovvenzione 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

References

  1. Mayer, F. L., Wilson, D., Hube, B. Candida albicans pathogenicity mechanisms. Virulence. 4 (2), 119-128 (2013).
  2. Fan, F., et al. Candida albicans biofilms: antifungal resistance, immune evasion, and emerging therapeutic strategies. International Journal of Antimicrobial Agents. 60 (5-6), 106673 (2022).
  3. Tong, Y., Tang, J. Candida albicans infection and intestinal immunity. Microbiological Research. 198, 27-35 (2017).
  4. Kanaguchi, N., et al. Effects of salivary protein flow and indigenous microorganisms on initial colonization of Candida albicans in an in vivo model. Bmc Oral Health. 12, 36 (2012).
  5. Gulati, M., Nobile, C. J. Candida albicans biofilms: development, regulation, and molecular mechanisms. Microbes and Infection. 18 (5), 310-321 (2016).
  6. Douglas, L. J. Candida biofilms and their role in infection. Trends in Microbiology. 11 (1), 30-36 (2003).
  7. Nobile, C. J., Johnson, A. D. Candida albicans biofilms and human disease. Annual Review of Microbiology. 69, 71-92 (2015).
  8. Mack, D., et al. Biofilm formation in medical device-related infection. The International Journal of Artificial Organs. 29 (4), 343-359 (2006).
  9. Miller, R., et al. Periprosthetic joint infection: A review of antibiotic treatment. JBJS Reviews. 8 (7), e1900224 (2020).
  10. Brown, T. S., et al. Periprosthetic joint infection with fungal pathogens. The Journal of Arthroplasty. 33 (8), 2605-2612 (2018).
  11. Kojic, E. M., Darouiche, R. O. Candida infections of medical devices. Clinical Microbiology Reviews. 17 (2), 255-267 (2004).
  12. Schoof, B., et al. Fungal periprosthetic joint infection of the hip: a systematic review. Orthopedic Reviews (Pavia). 7 (1), 5748 (2015).
  13. Izakovicova, P., Borens, O., Trampuz, A. Periprosthetic joint infection: current concepts and outlook. EFORT Open Reviews. 4 (7), 482-494 (2019).
  14. Tande, A. J., Patel, R. Prosthetic joint infection. Clinical Microbiology Reviews. 27 (2), 302-345 (2014).
  15. Stocks, G., Janssen, H. F. Infection in patients after implantation of an orthopedic device. ASAIO Journal. 46 (6), S41-S46 (2000).
  16. Shahi, A., Tan, T. L., Chen, A. F., Maltenfort, M. G., Parvizi, J. In-hospital mortality in patients with periprosthetic joint infection. The Journal of Arthroplasty. 32 (3), 948-952 (2017).
  17. Carli, A. V., Ross, F. P., Bhimani, S. J., Nodzo, S. R., Bostrom, M. P. Developing a clinically representative model of periprosthetic joint infection. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 98 (19), 1666-1676 (2016).
  18. Stavrakis, A. I., Niska, J. A., Loftin, A. H., Billi, F., Bernthal, N. M. Understanding infection: A primer on animal models of periprosthetic joint infection. The Scientific World Journal. 2013, 925906 (2013).
  19. Qiao, B., Lv, T. Electrochemical investigation of interaction of candida albicans with titanium-nickel implant in human saliva. International Journal of Electrochemical Science. 17 (2), 22028 (2022).
  20. Oh, Y. R., Ku, H. M., Kim, D., Shin, S. J., Jung, I. Y. Efficacy of a Nickel-titanium ultrasonic instrument for biofilm removal in a simulated complex root canal. Materials. 13 (21), 4914 (2020).
  21. Feldman, A. T., Wolfe, D., Christina E, D. a. y. Tissue Processing and Hematoxylin and Eosin Staining. Histopathology: Methods and Protocols. , 31-43 (2014).
  22. Sinclair, K. D., et al. Model development for determining the efficacy of a combination coating for the prevention of perioperative device related infections: A pilot study. Journal of Biomedical Materials Research – Part B Applied Biomaterials. 101 (7), 1143-1153 (2013).
  23. Mo, F., et al. In vitro and in vivo effects of the combination of myricetin and miconazole nitrate incorporated to thermosensitive hydrogels, on C. albicans biofilms. Phytomedicine. 71, 153223 (2020).
  24. Zahar, A., Sarungi, M. Diagnosis and management of the infected total knee replacement: a practical surgical guide. Journal of Experimental Orthopaedics. 8 (1), 14 (2021).
  25. Parvizi, J., Jacovides, C., Zmistowski, B., Jung, K. A. Definition of periprosthetic joint infection: Is there a consensus. Clinical Orthopaedics and Related Research. 469 (11), 3022-3030 (2011).
  26. Karczewski, D., et al. Candida periprosthetic joint infections – risk factors and outcome between albicans and non-albicans strains. International Orthopaedics. 46 (3), 449-456 (2022).
  27. Cobo, F., Rodriguez-Granger, J., Sampedro, A., Aliaga-Martinez, L., Navarro-Mari, J. M. Candida prosthetic joint infection. A review of treatment methods. Journal of Bone and Joint Infection. 2 (2), 114-121 (2017).
  28. Cobrado, L., Silva-Dias, A., Azevedo, M. M., Pina-Vaz, C., Rodrigues, A. G. In vivo antibiofilm effect of cerium, chitosan and hamamelitannin against usual agents of catheter-related bloodstream infections. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 68 (1), 126-130 (2013).
  29. Vila, T., et al. Therapeutic implications of C. albicans-S. aureus mixed biofilm in a murine subcutaneous catheter model of polymicrobial infection. Virulence. 12 (1), 835-851 (2021).
  30. Nishitani, K., et al. Quantifying the natural history of biofilm formation in vivo during the establishment of chronic implant-associated Staphylococcus aureus osteomyelitis in mice to identify critical pathogen and host factors. Journal of Orthopaedic Research. 33 (9), 1311-1319 (2015).
  31. Ormsby, R. T., et al. Evidence for osteocyte-media ted bone-matrix degradation associated with periprosthetic joint infection (PJI). European Cells & Materials. 42, 264-280 (2021).
  32. Garlito-Díaz, H., et al. A new antifungal-loaded sol-gel can prevent candida albicans prosthetic joint infection. Antibiotics (Basel). 10 (6), 711 (2021).
  33. Harro, J. M., et al. Development of a novel and rapid antibody-based diagnostic for chronic staphylococcus aureus infections based on biofilm antigens. Journal of Clinical Microbiology. 58 (5), e01414-e01419 (2020).

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Cite This Article
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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