Een periprothetisch gewrichtsinfectiemodel van Candida albicans bij muizen
Summary
Periprothetische gewrichtsinfectie (PJI) veroorzaakt door gevaarlijke ziekteverwekkers komt vaak voor in de klinische orthopedie. Bestaande diermodellen kunnen de werkelijke situatie van PJI niet nauwkeurig simuleren. Hier hebben we een Candida albicans biofilm-geassocieerd PJI-muismodel opgezet om nieuwe therapieën voor PJI te onderzoeken en te ontwikkelen.
Abstract
Periprothetische gewrichtsinfectie (PJI) is een van de meest voorkomende infecties veroorzaakt door Candida albicans (C. albicans), die chirurgen en wetenschappers steeds meer zorgen baart. Over het algemeen worden op de plaats van de infectie biofilms gevormd die C. albicans kunnen beschermen tegen antibiotica en immuunklaring. Chirurgie waarbij het geïnfecteerde implantaat wordt verwijderd, debridement, antimicrobiële behandeling en herimplantatie is de gouden standaard voor de behandeling van PJI. Het opzetten van PJI-modellen voor dieren is dus van groot belang voor het onderzoek naar en de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen of therapieën voor PJI. In deze studie werd een gladde draad van nikkel-titaniumlegering, een veelgebruikt implantaat in orthopedische klinieken, ingebracht in het femurgewricht van een C57BL/6-muis voordat de C. albicans werden geïnoculeerd in de gewrichtsholte langs de draad. Na 14 dagen werden rijpe en dikke biofilms waargenomen op het oppervlak van implantaten onder een scanning elektronische microscoop (SEM). Een significant verminderde bottrabecula werd gevonden in de H&E-kleuring van de geïnfecteerde gewrichtsmonsters. Samenvattend werd een PJI-muismodel vastgesteld met de voordelen van eenvoudige bediening, hoog succespercentage, hoge herhaalbaarheid en hoge klinische correlatie. Verwacht wordt dat dit een belangrijk model zal zijn voor klinische studies van C. albicans biofilm-gerelateerde PJI-preventie.
Introduction
Candida albicans (C. albicans) verblijven commentaal in veel delen van het menselijk lichaam1, wat ook de meest voorkomende opportunistische ziekteverwekker is die levensbedreigende invasieve schimmelinfecties veroorzaakt, vooral bij immuungecompromitteerde patiënten 2,3. C. albicans kan transformeren tussen gist- en myceliumtoestanden als een polymorfe schimmel. De myceliumtoestand vertoont een hogere virulentie, sterkere hechting en invasie van cellen en weefsels 4,5. Bovendien kan C. albicans biofilms vormen op de oppervlakken van biomedische materialen zoals kunstgebitten, katheters en stents 1,6,7. De dichte driedimensionale structuur van biofilms beperkt de infiltratie van antischimmelmiddelen, brengt resistente genen tot expressie en reguleert het metabolisme van schimmelcellen om de klaring van het immuunsysteem te weerstaan 6,7. Daarom zijn biofilm-gerelateerde infecties behoorlijk uitdagend in klinieken8.
Staphylococcus aureus, coagulase-negatieve stafylokokken en enterobacter zijn de belangrijkste ziekteverwekkers die PJI9 veroorzaken. Hoewel de incidentie van schimmel-PJI relatief laag is (ongeveer 1%)10, zijn de behandelingskosten van schimmel-PJI hoger11, is de behandelingscyclus langer11 en is het slagingspercentage van de behandeling lager10 dan bacteriële PJI. In de afgelopen jaren is de incidentie van schimmel PJI jaar na jaar toegenomen10. Candida PJI is goed voor 77%-84% van de schimmel PJI 10,12, en C. albicans komt het meest voor bij Candida (54%). Daarom moet schimmel PJI worden bestudeerd.
Momenteel wordt PJI behandeld via revisiechirurgie door (1) het geïnfecteerde implantaat te verwijderen, (2) debridement, (3) antimicrobiële behandeling en (4) herimplantatie. Na grondig debridement wordt een antibioticum met botcement geplaatst en wordt de patiënt gedurende meer dan 6 weken systemisch behandeld met antibiotica om de infectie effectief onder controle te houden voordat een nieuw implantaat wordt geplaatst13. Deze methode kan ziekteverwekkers in weefsels echter niet volledig elimineren, en terugkerende infecties die worden behandeld met langdurige antimicrobiële therapie zullen zich zeer waarschijnlijk ontwikkelen in resistente stammen 14,15,16.
Het opzetten van diermodellen van PJI is belangrijk voor het onderzoek en de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen of therapieën voor PJI. Bij de ontwikkeling van PJI worden grote dode ruimtes rond de prothese gevormd, wat leidt tot de vorming van hematomen, die de bloedtoevoer van de omliggende weefsels verder blokkeren en het effect van antibiotica belemmeren11,15. Vanwege de moeilijkheid om de omgeving van de prothese na te bootsen, kunnen traditionele diermodellen de werkelijke situatie van PJI17,18 niet nauwkeurig simuleren.
In dit artikel werd een C. albicans biofilm-geassocieerd PJI-model bij muizen geconstrueerd met behulp van een klinisch veel gebruikte titanium-nikkeldraad om gewrichtsimplantaten te simuleren19,20. Dit PJI-model vertoont de voordelen van eenvoudige bediening, hoog slagingspercentage, hoge herhaalbaarheid en hoge klinische correlatie. Verwacht wordt dat het een belangrijk model zal zijn voor het bestuderen van de preventie en behandeling van C. albicans biofilm-gerelateerde PJI.
Protocol
Representative Results
Discussion
De infectie veroorzaakt door de besmetting van chirurgische instrumenten of de chirurgische omgeving tijdens de operatie is de belangrijkste reden voor de meeste implantaatinfecties 24,25,26,27. Daarom werd in deze studie een C. albicans biofilm-gerelateerd PJI-model van muizen geconstrueerd. Vergeleken met het traditionele PJI-model waarin steriele roestvrijstalen deeltjes gesuspendee…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We zijn dankbaar voor de financiële steun van de Natural Science Foundation van de provincie Shaanxi (subsidienummer 2021SF-118) en de National Natural Science Foundation of China (subsidienummers 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).
