항생제에 내성이 있는 만성 상처는 의료 시스템에 큰 위협이 됩니다. 생물막 감염은 완고하고 적대적이며 기능적 상처 봉합 부족을 유발할 수 있습니다. 우리는 생물막에 감염된 전층 만성 상처의 임상적으로 관련된 돼지 모델을 보고합니다. 이 모델은 기계론적 연구뿐만 아니라 중재 테스트에도 강력합니다.
생물막 감염은 상처 만성의 주요 원인입니다. 임상적으로 관련된 실험적 상처 생물막 감염을 확립하려면 숙주 면역 체계의 개입이 필요합니다. 이러한 임상적으로 관련된 생물막이 형성되는 동안 숙주와 병원체의 반복적인 변화는 생체 내 에서만 발생할 수 있습니다. 돼지 상처 모델은 강력한 전임상 모델로서의 장점을 인정받고 있습니다. 상처 생물막을 연구하기 위한 몇 가지 보고된 접근 방식이 있습니다. in vitro 및 ex vivo 시스템은 숙주 면역 반응 측면에서 결핍되어 있습니다. 단기간의 생체 내 연구는 급성 반응을 포함하며, 따라서 임상적으로 발생하는 것으로 알려진 바와 같이 생물막 성숙을 허용하지 않습니다. 최초의 장기 돼지 상처 생물막 연구는 2014년에 보고되었습니다. 이 연구는 생물막에 감염된 상처가 평탄도법에 의해 결정된 대로 봉합될 수 있지만 영향을 받은 부위의 피부 장벽 기능이 회복되지 않을 수 있음을 인식했습니다. 나중에, 이 관찰은 임상적으로 검증되었다. 이렇게 해서 기능적 상처 봉합술의 개념이 탄생했습니다. 봉합된 상처는 피부 장벽 기능이 결핍된 상처로 볼 수 있습니다. 이 연구에서 우리는 임상적으로 관련성이 있고 중개 가치가 있는 생물막 감염 중증 화상 손상의 장기 돼지 모델을 재현하는 데 필요한 방법론적 세부 사항을 보고하고자 합니다. 이 프로토콜은 녹농균(P. aeruginosa , PA01)을 사용하여 8주간의 상처 생물막 감염을 확립하는 방법에 대한 자세한 지침을 제공합니다. 8개의 전신 화상 상처가 국내 백돼지의 등쪽에 대칭으로 생성되었으며, 화상 후 3일째에 (PA01)을 접종했습니다. 그 후, 레이저 스페클 이미징(LSI), 고해상도 초음파(HUSD) 및 경피 수분 손실(TEWL)을 사용하여 서로 다른 시점에서 상처 치유에 대한 비침습적 평가를 수행했습니다. 접종된 화상 상처는 4겹 드레싱으로 덮었습니다. 접종 후 7일째에 SEM에 의해 구조적으로 확립되고 확인된 생물막은 기능적 상처 봉합을 손상시켰습니다. 이러한 불리한 결과는 적절한 개입에 따라 반전될 수 있습니다.
생물막 감염은 화상과 만성 상처를 복잡하게 만들고 만성 1,2,3,4,5를 유발한다. 미생물학에서 생물막 메커니즘은 주로 미생물 1,6에 중점을 두고 연구됩니다. 이 학문에서 배운 교훈은 생물 과학 견지에서 가장 중요하 그러나 임상으로 관련된 병원성 biofilms 6,7,8에 반드시 적용 가능하지 않을지도 모른다. 임상적으로 관련된 생물막 구조 응집체에는 미생물 및 숙주 인자 8,9,10이 포함되어야 합니다. 이러한 미세환경은 숙주-미생물 반복적 상호작용을 포함할 수 있으며, 이는 임상적으로 관련된 생물막 개발에 매우 중요합니다 7,8. 이러한 과정에서 면역 세포와 혈액 매개 인자의 참여가 중요합니다11,12. 만성 상처에서 볼 수 있듯이 임상 병원성 생물막의 기초가 되는 숙주-미생물 상호 작용은 오랜 기간에 걸쳐 발생합니다. 따라서, 생물막 감염의 번역으로 관련된 모델을 개발하는 것을 목표로 하는 모든 실험적 접근은 이러한 요인을 설명해야 합니다. 그래서 우리는 임상적으로 재현 가능한 돼지 만성 생물막 감염 모델을 개발하고자 했습니다.
인간 연구는 치유 결과를 연구하는 가장 좋은 방법임이 분명하지만, 근본적인 메커니즘과 새로운 기계론적 패러다임을 다루는 데 가장 적합하지 않은 경우가 많습니다. 윤리적 문제로 인해 서로 다른 시점에서 만성 상처에서 여러 생검을 수집해야 하는 연구 설계의 사용이 제한됩니다. 그러므로, 생물막 운명 7,13의 철저한 검사를 위한 침습적인 연구를 가능하게 하기 위하여 잘 확립되고 재현 가능한 동물 모형을 갖는 것이 중요하다. 동물 모델의 선택은 과학적/중개적 관련성 및 물류를 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 돼지 시스템은 인간의 피부 상처를 연구하는 데 가장 중개학적으로 가치 있는 실험 모델로 널리 알려져 있다7. 따라서, 이 연구는 생물막에 감염된 전층 화상 손상의 확립된 돼지 모델을 보고한다. 이 연구는 문헌 2,7,13,14,15,16,17에 보고된 여러 원본 출판물을 기반으로 합니다. 이 연구에서는 상처를 감염시키기 위해 다제내성 녹농균(PA01)의 임상 분리를 선택했습니다. 녹농균(P. aeruginosa)은 상처 감염의 흔한 원인이다 2,18,19,20. 일부 항생제11,19,21에 대한 내성으로 인해 치료하기 어려울 수 있는 그람 음성 박테리아입니다. 지금까지 보고된 돼지 생물막 모형의 아무도는 8 주 장기 학문 22,23,24,25,26를 포함했다. 만성 상처는 4주 이상 열려 있는 상처이다 14,27,28. 문헌에 보고된 다른 만성 상처 생물막 모델은 없습니다. 이 연구는 기능적 상처 봉합 2,7,13,15,17,29의 개념을 다룹니다.
이 보고서는 실험 연구를 위해 만성 상처 생물막 감염의 돼지 모델을 설정하기 위한 자세한 프로토콜을 제공합니다. 몇몇 돼지 biofilm 모형은 22,23,24,25,26 이전에 보고되었습니다, 그러나 그(것)들의 아무도는 8 주 장기 학문을 포함하는 돼지 모형이 아닙니다. 만성 상처는 4주 이상 열려 있는 상처이다 14,27,28. 문헌에 보고된 다른 만성 상처 생물막 모델은 없습니다. 이 연구는 기능적 상처 봉합 2,7,13,15,17,29의 개념을 다룹니다. 2014년에 수행된 한 연구는 생물막에 감염된 상처가 장벽 기능을 회복하지 않고도 봉합될 수 있다고 최초로 보고했다7. 이 연구에서는 경피 수분 손실(TEWL)을 사용하여 치유되는 상처의 피부 장벽 기능 측정이 보고됩니다.
해부학적으로나 생리학적으로 돼지 피부는 다른 작은 동물의 피부와 비교했을 때 인간의 피부와 더 가깝다(32,33,34). 돼지와 인간의 피부는 모두 두꺼운 표피(33)를 가지고 있으며, 진피-표피 두께 비율은 돼지에서 10:1 내지13:1로 인간(34,35)과 비슷하다. 조직학적으로나 생체역학적으로 인간과 돼지의 피부는 망피융지, 피하지방, 진피 콜라겐, 모발 분포, 부속기 구조, 혈관 크기 및 분포에서 유사성을 보인다36,37,38. 기능적으로 돼지와 인간은 표피층의 지질, 단백질 및 케라틴 성분의 구성과 유사한 면역조직학적 패턴에서 유사성을 공유합니다37,38. 돼지의 면역 체계는 다른 작은 동물의 면역 체계와 비교했을 때 인간의 면역 체계와 더 높은 유사성을 공유하는데, 이는 돼지가 상처 감염에서 병리학적 생물막의 복잡성에 필수적인 숙주 상호 작용에 대한 연구에 적합한 모델이라는 것을 의미한다39. 다양한 동물 모델이 제공하는 장단점에 대한 비판적 평가는 돼지가 상처 치유를 연구하는 데 효율적인 모델이라는 합의로 이어졌습니다34,38. 또한, 사육 돼지는 인간에서 관찰되는 만성 세균 감염을 자발적으로 발생시킨다10. 상처를 생성하는데 사용되는 화상 장치는 표적 피부 부위(22,40)로부터 판독된 온도에 기초하여 열 에너지를 전달하는 진보되고 자동화된 화상 장치이다. 이러한 접근 방식은 화상 부상의 엄격함과 재현성을 향상시킵니다. 돼지 상처를 감염시키기 위해 박테리아의 인간 임상 분리체를 사용하는 것은 전임상 모델로서 가치를 더합니다.
화상 부상은 복잡하며 여러 가지 전신 교란을 일으킨다20,41. 따라서 적절한 수분으로 돼지를 소생시키고 마취 및 회복 중 저체온증을 예방하는 것이 중요합니다. 화상 후 영양, 체액 및 통증을 포함한 여러 요인이 상처 치유를 방해할 수 있다42. 따라서 영양 및 통증 평가에 대한 면밀한 모니터링이 중요합니다. 화상 후 통증은 심할 수 있으며 동물의 행동과 식단에 영향을 미칠 수 있습니다. 행동 문제를 해결하기 위한 개입을 적극적으로 고려해야 합니다. 정기적이고 지속적인 통증 점수 및 관리가 필수적입니다. 매우 상세한 통증 관리 계획이 포함된 철저한 통증 평가 시트가 이 프로토콜에 포함되어 있습니다. 상처 사이의 교차 오염을 방지하려면 각 상처에 드레싱의 첫 번째 층을 별도로 적용하는 데 특별한 주의를 기울여야 합니다. 모든 생물학적 위험 물질을 취급하고 장비, 도구 및 전체 수술실을 철저히 소독할 때 세심한 주의를 기울여야 합니다. 드레싱을 여러 겹 바르면 돼지가 가려운 등을 문지르거나 긁으려고 노력하는 동안 상처가 노출되는 것을 방지할 수 있습니다.
현재 모델의 돼지는 근본적인 대사 장애(예: 당뇨병)에 의해 손상되지 않았으므로 연구 중인 효과는 순전히 상처 치유에 대한 박테리아 생물막 감염의 영향이었습니다. 그러나 이 모델은 당뇨병 유도(예: 스트렙토조토신 사용)에 적합하며 근본적인 대사 장애와 관련하여 생물막 감염을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 이 모델의 또 다른 한계는 박테리아인 녹농균(P. aeruginosa)을 이용한 감염 설정을 조절하는 것입니다. 돼지의 정상적인 피부 미생물총도 상처에서 자랄 수 있으며 치유에 영향을 미칠 수 있습니다. 상처의 미생물 함량을 설명하기 위해 NGS 또는 기타 고급 기술을 사용한 추가 분석이 필요합니다. 현재 모델은 서로 다른 미생물 종(예: 곰팡이, 바이러스 등)과의 혼합 감염에도 적용될 수 있습니다. 이는 임상적으로 관련된 상처가 혼합 미생물에 의해 채워질 가능성이 높기 때문에 상처 치유에 차별적으로 영향을 미칠 수 있기 때문에 중요한 요소입니다.
이 모델에는 인간 만성 상처의 복잡성 및 장기 후유증과의 유사성, 자동화되고 재현 가능한 화상 과정, 임상적으로 분리된 박테리아 종의 사용 등 많은 잠재적인 이점이 있습니다. 여러 비침습적 이미징 방식을 사용하는 것은 상처를 특성화하는 유용한 생리학적 데이터를 수집하기 위한 강력한 접근 방식입니다. 마지막으로, TEWL을 기반으로 한 피부 장벽 기능 회복을 통한 기능적 상처 치유 평가가 중요합니다. 결론적으로, 돼지 모델 시스템을 사용하여 생물막에 감염된 중증 화상 부상을 개발하기 위한 강력하고 간단하며 상세하고 사용하기 쉬운 프로토콜이 이 연구에서 보여집니다.
The authors have nothing to disclose.
인디애나 대학교의 실험실 동물 자원 센터(LARC)의 지원과 연구 기간 동안 동물을 수의사로 돌봐 주신 데 대해 감사드립니다. 이 연구는 미국 국립보건원(National Institutes of Health)의 보조금 NR015676, NR013898 및 DK125835와 국방부 보조금 W81XWH-11-2-0142의 지원을 받았습니다. 또한 이 연구는 GM077185, GM069589, DK076566, AI097511 및 NS42617와 같은 미국 국립보건원(National Institutes of Health) 상의 혜택을 받았습니다.
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 |