Le ferite croniche resistenti agli antibiotici rappresentano una grave minaccia per il sistema sanitario. Le infezioni da biofilm sono ostinate e ostili e possono causare una chiusura funzionale carente della ferita. Riportiamo un modello suino clinicamente rilevante di ferite croniche a tutto spessore infette da biofilm. Questo modello è potente sia per gli studi meccanicistici che per testare gli interventi.
L’infezione da biofilm è uno dei principali fattori che contribuiscono alla cronicità della ferita. L’instaurazione di un’infezione sperimentale del biofilm della ferita clinicamente rilevante richiede il coinvolgimento del sistema immunitario dell’ospite. I cambiamenti iterativi nell’ospite e nell’agente patogeno durante la formazione di tale biofilm clinicamente rilevante possono verificarsi solo in vivo. Il modello di ferita suina è riconosciuto per i suoi vantaggi come potente modello preclinico. Ci sono diversi approcci segnalati per lo studio dei biofilm delle ferite. I sistemi in vitro ed ex vivo sono carenti in termini di risposta immunitaria dell’ospite. Gli studi in vivo a breve termine comportano risposte acute e, quindi, non consentono la maturazione del biofilm, come è noto che avviene clinicamente. Il primo studio a lungo termine sul biofilm delle ferite suine è stato pubblicato nel 2014. Lo studio ha riconosciuto che le ferite infette da biofilm possono chiudersi come determinato dalla planimetria, ma la funzione di barriera cutanea del sito interessato potrebbe non essere ripristinata. Successivamente, questa osservazione è stata convalidata clinicamente. Nasce così il concetto di chiusura funzionale della ferita. Le ferite chiuse ma carenti nella funzione di barriera cutanea possono essere viste come ferite invisibili. In questo lavoro, cerchiamo di riportare i dettagli metodologici necessari per riprodurre il modello suino a lungo termine di grave ustione da biofilm, che è clinicamente rilevante e ha un valore traslazionale. Questo protocollo fornisce una guida dettagliata per stabilire un’infezione da biofilm della ferita di 8 settimane utilizzando P. aeruginosa (PA01). Otto ferite da ustione a tutto spessore sono state create simmetricamente sul dorso di suini bianchi domestici, a cui è stato inoculato (PA01) al giorno 3 dopo l’ustione; successivamente, sono state condotte valutazioni non invasive della guarigione della ferita in diversi momenti utilizzando l’imaging laser speckle (LSI), gli ultrasuoni ad alta risoluzione (HUSD) e la perdita di acqua transepidermica (TEWL). Le ferite da ustione inoculate sono state coperte con una medicazione a quattro strati. I biofilm, come stabilito e confermato strutturalmente dal SEM al giorno 7 dopo l’inoculazione, hanno compromesso la chiusura funzionale della ferita. Tale esito avverso è soggetto a inversione in risposta a interventi appropriati.
L’infezione da biofilm complica le ustioni e le ferite croniche e causa cronicità 1,2,3,4,5. In microbiologia, vengono studiati principalmente i meccanismi del biofilm, con particolare attenzione ai microbi 1,6. Le lezioni apprese da questi studi sono di fondamentale importanza dal punto di vista delle scienze biologiche, ma potrebbero non essere necessariamente applicabili a biofilm patogeni clinicamente rilevanti 6,7,8. Gli aggregati strutturali del biofilm clinicamente rilevanti dovrebbero includere i fattori microbici e dell’ospite 8,9,10. Tale microambiente consente l’inclusione di interazioni iterative ospite-microbo, che sono fondamentali per lo sviluppo di un biofilm clinicamente rilevante 7,8. In tale processo, la partecipazione delle cellule immunitarie e dei fattori trasmissibili per via ematica è fondamentale11,12. Le interazioni ospite-microbo alla base dei biofilm patogeni clinici, come si vede nelle ferite croniche, si verificano per un lungo periodo di tempo. Pertanto, qualsiasi approccio sperimentale volto a sviluppare un modello traslazionale rilevante di infezione da biofilm deve tenere conto di questi fattori. Quindi, abbiamo cercato di sviluppare un modello di infezione cronica da biofilm suino clinicamente riproducibile.
Sebbene gli studi sull’uomo rappresentino chiaramente l’approccio migliore per studiare i risultati della guarigione, spesso non sono i più adatti ad affrontare i meccanismi sottostanti e i nuovi paradigmi meccanicistici. Le preoccupazioni etiche limitano l’uso di disegni di studio che richiedono la raccolta di più biopsie da una ferita cronica in diversi momenti. È quindi fondamentale disporre di un modello animale ben consolidato e riproducibile per consentire studi invasivi per l’esame approfondito del destino del biofilm 7,13. La scelta di un modello animale dipende da diversi fattori, tra cui la rilevanza scientifica/traslazionale e la logistica. Il sistema suino è ampiamente riconosciuto come il modello sperimentale più prezioso dal punto di vista traslazionale per lo studio delle ferite cutanee umane7. Pertanto, questo lavoro riporta un modello suino consolidato di lesione da ustione a tutto spessore infettata da biofilm. Questo lavoro si basa su diverse pubblicazioni originali riportate in letteratura 2,7,13,14,15,16,17. In questo studio, è stato scelto un isolato clinico di Pseudomonas aeruginosa multiresistente (PA01) per infettare la ferita. P. aeruginosa è una causa comune di infezioni della ferita 2,18,19,20. È un batterio Gram-negativo che può essere difficile da trattare a causa della sua resistenza ad alcuni antibiotici11,19,21. Nessuno dei modelli di biofilm suino riportati finora ha coinvolto studi a lungo termine di 8 settimane 22,23,24,25,26. Le ferite croniche sono quelle che rimangono aperte per 4 settimane o più 14,27,28. Non ci sono altri modelli di biofilm cronico della ferita riportati in letteratura. Questo lavoro affronta la nozione di chiusura funzionale della ferita 2,7,13,15,17,29.
Questo rapporto fornisce un protocollo dettagliato per la creazione di un modello suino di infezione cronica del biofilm della ferita per studi sperimentali. Diversi modelli di biofilm suino sono stati segnalati in precedenza 22,23,24,25,26, ma nessuno di essi è un modello suino che coinvolge studi a lungo termine di 8 settimane. Le ferite croniche sono quelle che rimangono aperte per 4 settimane o più 14,27,28. Non ci sono altri modelli di biofilm cronico della ferita riportati in letteratura. Questo lavoro affronta la nozione di chiusura funzionale della ferita 2,7,13,15,17,29. Uno studio condotto nel 2014 è stato il primo a riportare che le ferite infette da biofilm possono chiudersi senza il ripristino della funzione di barriera7. In questo lavoro è riportata la misurazione della funzione di barriera cutanea nella ferita in via di guarigione utilizzando la perdita d’acqua transepidermica (TEWL).
Anatomicamente e fisiologicamente, la pelle suina, rispetto alla pelle di altri piccoli animali, è più vicina alla pelle umana32,33,34. Sia la pelle di maiale che quella umana hanno un’epidermide spessa 33 e il rapporto di spessore dermo-epidermico varia da 10:1 a13:1 nel maiale, che è paragonabile all’uomo34,35. Istologicamente e biomeccanicamente, la pelle degli esseri umani e dei suini mostra somiglianze nelle creste della rete, nel grasso sottocutaneo, nel collagene dermico, nella distribuzione dei peli, nelle strutture annessiali e nelle dimensioni e nella distribuzione dei vasi sanguigni36,37,38. Dal punto di vista funzionale, sia i suini che gli esseri umani condividono somiglianze nella composizione dei componenti lipidici, proteici e cheratinici dello strato epidermico, nonché modelli immunoistologici comparabili37,38. Il sistema immunitario dei suini, rispetto a quello di altri piccoli animali, condivide maggiori somiglianze con il sistema immunitario umano, il che significa che i suini sono un modello appropriato per gli studi sulle interazioni con l’ospite che sono parte integrante delle complessità del biofilm patologico nelle infezioni delle ferite39. La valutazione critica dei pro e dei contro offerti da vari modelli animali ha portato al consenso sul fatto che i suini rappresentano un modello efficiente per lo studio della guarigione delle ferite34,38. Inoltre, i suini domestici sviluppano spontaneamente infezioni batteriche croniche, come osservato nell’uomo10. Il dispositivo di ustione utilizzato per creare le ferite è un dispositivo di ustione avanzato e automatizzato che fornisce energia termica in base a una temperatura letta dal sito cutaneo mirato22,40. Tale approccio migliora il rigore e la riproducibilità della lesione da ustione. L’uso di isolati clinici umani di batteri per infettare le ferite del maiale aggiunge valore come modello preclinico.
Le ustioni sono complesse e causano diverse perturbazioni sistemiche20,41. Pertanto, è importante rianimare il maiale con liquidi adeguati e prevenire l’ipotermia durante l’anestesia e il recupero. Diversi fattori possono interferire con la guarigione della ferita, tra cui l’alimentazione post-ustione, i liquidi e il dolore42. È quindi importante un attento monitoraggio della nutrizione e delle valutazioni del dolore. Il dolore post-ustione può essere grave e influenzare il comportamento e la dieta dell’animale. Gli interventi per affrontare i problemi comportamentali devono essere presi in considerazione attivamente. La valutazione e la gestione del dolore regolari e continue sono indispensabili. In questo protocollo è inclusa una scheda di valutazione del dolore approfondita con un piano di gestione del dolore molto dettagliato. Per evitare la contaminazione incrociata tra le ferite, è necessario prestare particolare attenzione ad applicare il primo strato della medicazione su ciascuna ferita separatamente. È necessario prestare molta attenzione nella manipolazione di tutti i materiali a rischio biologico e nell’eseguire la disinfezione accurata delle apparecchiature, degli strumenti e dell’intera sala chirurgica. L’applicazione di più strati di medicazione impedisce al maiale di esporre le ferite durante lo sforzo di strofinare o grattare il prurito.
Il maiale nel modello attuale non era compromesso da disturbi metabolici sottostanti (ad esempio, il diabete) e, quindi, l’effetto studiato era puramente l’impatto dell’infezione da biofilm batterico sulla guarigione delle ferite. Tuttavia, il modello si presta all’induzione del diabete (utilizzando la streptozotocina per esempio) e potrebbe essere utilizzato per studiare l’infezione da biofilm in relazione a un disturbo metabolico sottostante. L’altra limitazione del modello è l’impostazione dell’infezione controllata utilizzando P. aeruginosa, un batterio. Si prevede che anche la normale microflora cutanea del maiale possa crescere nella ferita e possa influire sulla guarigione. Sono necessarie ulteriori analisi utilizzando NGS o altre tecniche avanzate per delineare il contenuto microbico della ferita. Il modello attuale potrebbe essere applicato anche a infezioni miste con diverse specie microbiche (ad esempio, fungine, virali, ecc.). Questo è un elemento importante, poiché è probabile che le ferite clinicamente rilevanti siano popolate da microbi misti, che possono influire in modo differenziato sulla guarigione delle ferite.
Ci sono molti potenziali vantaggi in questo modello, tra cui la somiglianza con la complessità e le sequele a lungo termine delle ferite croniche umane, il processo di ustione automatizzato e riproducibile e l’uso di specie batteriche clinicamente isolate. L’uso di molteplici modalità di imaging non invasive rappresenta un potente approccio per la raccolta di dati fisiologici utili per la caratterizzazione della ferita. Infine, la valutazione della guarigione funzionale della ferita attraverso il ripristino della funzione di barriera cutanea basata su TEWL è fondamentale. In conclusione, in questo lavoro viene mostrato un protocollo robusto, semplice, dettagliato e facile da usare per sviluppare una grave lesione da ustione infettata da biofilm utilizzando un sistema modello suino.
The authors have nothing to disclose.
Vorremmo ringraziare il Laboratory Animal Resource Center (LARC), Università dell’Indiana, per il loro supporto e la cura veterinaria degli animali durante lo studio. Questo lavoro è stato in parte sostenuto dalle sovvenzioni del National Institutes of Health NR015676, NR013898 e DK125835 e dalla sovvenzione W81XWH-11-2-0142 del Dipartimento della Difesa. Inoltre, questo lavoro ha beneficiato dei seguenti premi del National Institutes of Health: GM077185, GM069589, DK076566, AI097511 e NS42617.
Sedation | |||
Ketamine | Zoetis | 10004027 | 100mg/ml |
Telazol | Zoetis | 106-111 | 100mg/ml |
Xylazine | Pivetal | 04606-6750-02 | 100mg/ml Anased |
3ml syringe w/ 20g needle | Covidien-Monoject | 8881513033 | |
Winged infusion set 21g | Jorgensen Labs | J0454B | |
Anesthetic | |||
Isoflurane | Pivetal | 21295097 | |
Surgery | |||
Hair clippers | Wahl | 8787-450A | |
Nair | Church and Dwight Co. Inc | 70506572 | |
Chlorhexidine Solution | First Priority Inc. | 179925722 | |
70% Isopropyl Alcohol | Uline | S-17474 | |
0.9% Saline Solution | ICU Medical | RL-7282 | |
Non-woven gauze | Pivetal | 21295051 | |
Paper tape | McKesson | 455531 | |
2" Elastic tape | Pivetal | 21300869 | |
18-22g Intravenous Angiocath | SurVet | (01)14806017512306 | |
Spay hook | Jorgensen Labs | J0112A | |
Sterile lube | McKesson | 16-8942 | |
Laryngoscope | Jorgensen Labs | J0449S | |
Roll gauze | Pivetal | 21295032 | |
Endotracheal tube (7-9mm) | Covidien | 86112 | Shiley Hi-Lo Oral Nasal Tracheal Tube Cuffed |
15gtt/ml IV administration set | ICU Medical | 12672-28 | |
LRS 1000ml bag | ICU Medical | 07953-09 | |
Three Quarter Drape Sheet | McKesson | 16-i80-12110G | |
Analgesia | |||
Buprenorphine | RX Generics | 42023-0179-05 | 0.3mg/ml |
Fentanyl Transdermal | |||
Carprofen | 21294548 | Pivetal | 50mg/ml Levafen |
Bandaging | |||
Transparent film dressing 26×30 | Genadyne Biotechnologies | A4-S00F5 | |
Film dressing 4 x 4-3/4 Frame Style | McKesson | 886408 | |
Vetrap | 3M | 1410BK BULK | |
Elastic tape 4" | Pivetal | 21300931 | |
Kerlix Roll Gauze | Cardinal Health | 3324 | |
Imaging | |||
Canon EOS 80D | Canon | 1263C004 | |
Speedlight 600EX II-RT | Canon | 1177C002 | |
EFS 17-55mm Ultrasonic | Canon | 1242B002 | |
GE Logiq E9 | GE | 5197104-2 | |
ML6-15 Probe | GE | 5199103 | |
PeriCamPSI | Perimed | 90-00070 | |
DermaLab | Cortex Technologies Inc | 4608D78 | |
Biopsy/Tissue Collection | |||
6mm punch biopsy | Integra Lifesciences | 33-36 | |
bupivicaine 0.5% | Auromedics Pharma | 55150017030 | |
Size 10 Disposable Scalpel | McKesson | 16-63810 | |
Dissection scissors | Pivetal | 21294806 | |
Rat tooth thumb tissue forceps | Aesculap | BD512R | |
Non-adherent Dressing | Covidien | 2132 | Telfa |
50ml Conical tube | Falcon | 352070 | |
Eppendorf/microcentrifuge tube | Fisherbrand | 02-681-320 | |
OCT Cassette | |||
Non Woven Gauze 4×4 | Pivetal | 21295051 | |
Inoculum | |||
Low salt LB agar | Invitrogen | 22700-025 | |
Low salt LB broth | Fisher scientific | BP1427-500 | |
Petri plate | Falcon | REF-351029 | |
Polyprophyline round bottom tubes (14 ml) | Falcon | REF-352059 | |
Pseudomonas Agar Base (Dehydrated) | Thermo Scientific | OXCM0559B | |
LB Agar, powder (Lennox L agar) | Thermo Fisher Scientific (Life Technologies) | 22700025 | |
Gibco™ DPBS, calcium, magnesium | Gibco | 14040133 | |
Euthanasia | |||
18-22g Intravenous Angiocath | SurVet | (01)14806017512306 | |
Fatal Plus | Vortech Pharmaceuticals | 9373 |