Модель перипротезной инфекции сустава Candida albicans у мышей
Summary
Перипротезная инфекция суставов (ППИ), вызванная опасными патогенами, часто встречается в клинической ортопедии. Существующие животные модели не могут точно смоделировать реальную ситуацию ППИ. Здесь мы создали модель мыши, ассоциированной с биопленкой Candida albicans , для исследования и разработки новых терапевтических средств для лечения ППИ.
Abstract
Перипротезная инфекция суставов (ППИ) является одной из распространенных инфекций, вызываемых Candida albicans (C. albicans), которая все чаще беспокоит хирургов и ученых. Как правило, в месте инфекции образуются биопленки, которые могут защитить C. albicans от антибиотиков и иммунного клиренса. Хирургическое вмешательство, включающее удаление инфицированного имплантата, санацию, антимикробное лечение и реимплантацию, является золотым стандартом лечения ППИ. Таким образом, создание моделей ППИ на животных имеет большое значение для исследований и разработки новых лекарств или терапевтических средств для лечения ППИ. В этом исследовании гладкая проволока из никель-титанового сплава, широко используемая в ортопедических клиниках, была вставлена в бедренный сустав мыши C57BL/6 до того, как C. albicans были инокулированы в суставную полость вдоль проволоки. Через 14 дней на поверхности имплантатов под сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) наблюдались зрелые и толстые биопленки. Значительно сниженная костная трабекула была обнаружена при окрашивании H&E инфицированных образцов суставов. Подводя итог, можно сказать, что была создана мышиная модель PJI, обладающая такими преимуществами, как простота эксплуатации, высокая успешность, высокая повторяемость и высокая клиническая корреляция. Ожидается, что это станет важной моделью для клинических исследований профилактики ППИ, связанной с биопленкой C. albicans.
Introduction
Candida albicans (C. albicans) комменсально обитает во многихчастях тела человека1, который также является наиболее распространенным условно-патогенным патогеном, вызывающим опасные для жизни инвазивные грибковые инфекции, особенно у пациентов с ослабленным иммунитетом 2,3. C. albicans может трансформироваться между дрожжами и мицелием в виде полиморфного гриба. Состояние мицелия характеризуется более высокой вирулентностью, более сильной адгезией и инвазией клеток и тканей 4,5. Кроме того, C. albicans может образовывать биопленки на поверхности биомедицинских материалов, таких как зубные протезы, катетеры и стенты 1,6,7. Плотная трехмерная структура биопленок ограничивает инфильтрацию противогрибковых препаратов, экспрессирует гены, устойчивые к лекарственным препаратам, и подавляет метаболизм грибковых клеток, чтобы противостоять клиренсу иммунной системы 6,7. Таким образом, инфекции, связанные с биопленками, в клиниках являются довольно сложной задачей8.
Золотистый стафилококк, коагулазонегативный стафилококк и энтеробактер являются основными патогенами, вызывающими ППИ9. Несмотря на то, что заболеваемость грибковыми ППИ относительно невелика (около 1%)10, стоимость лечения грибковой ППИвыше11, цикл лечения длиннее11, а вероятность успешности леченияниже10, чем бактериальная ППИ. В последние годы заболеваемость грибковыми ППИ растет из года вгод10. На долю Candida PJI приходится 77%-84% грибковых PJI10,12, а C. albicans является наиболее распространенным при Candida (54%). Поэтому грибковые ППИ нуждаются в изучении.
В настоящее время ППИ лечится с помощью ревизионной хирургии путем (1) удаления инфицированного имплантата, (2) санации, (3) антимикробного лечения и (4) реимплантации. После тщательной санации устанавливают антибиотик, содержащий костный цемент, и пациента систематически лечат антибиотиками в течение более 6 недель для эффективного контроля инфекцииперед установкой нового имплантата. Однако этот метод не может полностью устранить возбудителей в тканях, и рецидивирующие инфекции, леченные длительной антимикробной терапией, с высокой вероятностью развиваются у лекарственно-устойчивых штаммов 14,15,16.
Создание моделей ППИ на животных имеет важное значение для исследований и разработки новых лекарств или терапевтических средств для лечения ППИ. При развитии ППИ вокруг протеза образуются большие мертвые пространства, приводящие к образованию гематом, которые в дальнейшем блокируют кровоснабжение окружающих тканей и ухудшают действие антибиотиков11,15. Из-за сложности имитации окружающей среды протеза традиционные животные модели не могут точно смоделировать реальную ситуацию PJI17,18.
В данной работе была построена модель ППИ, ассоциированная с биопленкой C. albicans у мышей, с использованием широко используемой титано-никелевой проволоки для моделирования суставных имплантатов19,20. Эта модель PJI демонстрирует такие преимущества, как простота эксплуатации, высокий процент успешных операций, высокая повторяемость и высокая клиническая корреляция. Ожидается, что он станет важной моделью для изучения профилактики и лечения ППИ, связанной с биопленкой C. albicans.
Protocol
Representative Results
Discussion
Инфекция, вызванная загрязнением хирургических инструментов или операционной среды во время операции, является основной причиной большинства инфекций имплантатов 24,25,26,27. Таким образом, в данном исследовании была п…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарны за финансовую поддержку Фонду естественных наук провинции Шэньси (номер гранта 2021SF-118) и Национальному фонду естественных наук Китая (грант No 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
- Mayer, F. L., Wilson, D., Hube, B. Candida albicans pathogenicity mechanisms. Virulence. 4 (2), 119-128 (2013).
- 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).
- Tong, Y., Tang, J. Candida albicans infection and intestinal immunity. Microbiological Research. 198, 27-35 (2017).
- 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).
- Gulati, M., Nobile, C. J. Candida albicans biofilms: development, regulation, and molecular mechanisms. Microbes and Infection. 18 (5), 310-321 (2016).
- Douglas, L. J. Candida biofilms and their role in infection. Trends in Microbiology. 11 (1), 30-36 (2003).
- Nobile, C. J., Johnson, A. D. Candida albicans biofilms and human disease. Annual Review of Microbiology. 69, 71-92 (2015).
- Mack, D., et al. Biofilm formation in medical device-related infection. The International Journal of Artificial Organs. 29 (4), 343-359 (2006).
- Miller, R., et al. Periprosthetic joint infection: A review of antibiotic treatment. JBJS Reviews. 8 (7), e1900224 (2020).
- Brown, T. S., et al. Periprosthetic joint infection with fungal pathogens. The Journal of Arthroplasty. 33 (8), 2605-2612 (2018).
- Kojic, E. M., Darouiche, R. O. Candida infections of medical devices. Clinical Microbiology Reviews. 17 (2), 255-267 (2004).
- Schoof, B., et al. Fungal periprosthetic joint infection of the hip: a systematic review. Orthopedic Reviews (Pavia). 7 (1), 5748 (2015).
- Izakovicova, P., Borens, O., Trampuz, A. Periprosthetic joint infection: current concepts and outlook. EFORT Open Reviews. 4 (7), 482-494 (2019).
- Tande, A. J., Patel, R. Prosthetic joint infection. Clinical Microbiology Reviews. 27 (2), 302-345 (2014).
- Stocks, G., Janssen, H. F. Infection in patients after implantation of an orthopedic device. ASAIO Journal. 46 (6), S41-S46 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Feldman, A. T., Wolfe, D., Christina E, D. a. y. Tissue Processing and Hematoxylin and Eosin Staining. Histopathology: Methods and Protocols. , 31-43 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Garlito-Díaz, H., et al. A new antifungal-loaded sol-gel can prevent candida albicans prosthetic joint infection. Antibiotics (Basel). 10 (6), 711 (2021).
- 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).
