En periprostetisk fælles Candida albicans infektionsmodel i mus
Summary
Periprostetisk ledinfektion (PJI) forårsaget af farlige patogener er almindelig i klinisk ortopædi. Eksisterende dyremodeller kan ikke nøjagtigt simulere den faktiske situation for PJI. Her etablerede vi en Candida albicans biofilmassocieret PJI-musemodel for at forske og udvikle nye lægemidler til PJI.
Abstract
Periprostetisk ledinfektion (PJI) er en af de almindelige infektioner forårsaget af Candida albicans (C. albicans), som i stigende grad vedrører kirurger og forskere. Generelt dannes biofilm, der kan beskytte C. albicans mod antibiotika og immunclearance på infektionsstedet. Kirurgi, der involverer fjernelse af det inficerede implantat, debridering, antimikrobiel behandling og reimplantation er guldstandarden til behandling af PJI. Etablering af PJI-modeller for dyr har således stor betydning for forskning og udvikling af nye lægemidler eller lægemidler til PJI. I denne undersøgelse blev en glat nikkel-titaniumlegeringstråd, et meget anvendt implantat i ortopædiske klinikker, indsat i lårbensleddet på en C57BL/6-mus, før C. albicans blev podet i ledhulen langs ledningen. Efter 14 dage blev modne og tykke biofilm observeret på overfladen af implantater under et scanningselektronisk mikroskop (SEM). En signifikant reduceret knogletrabecula blev fundet i H&E-farvningen af de inficerede ledprøver. For at opsummere blev der etableret en mus PJI-model med fordelene ved nem betjening, høj succesrate, høj repeterbarhed og høj klinisk korrelation. Dette forventes at være en vigtig model for kliniske studier af C. albicans biofilmrelaterede PJI-forebyggelse.
Introduction
Candida albicans (C. albicans) bor kommensalt i mange dele af menneskekroppen1, som også er det mest almindelige opportunistiske patogen, der forårsager livstruende invasive svampeinfektioner, især hos immunkompromitterede patienter 2,3. C. albicans kan transformere mellem gær og mycelium stater som en polymorf svamp. Myceliumtilstanden udviser højere virulens, stærkere vedhæftning og invasion af celler og væv 4,5. Desuden kan C. albicans danne biofilm på overfladerne af biomedicinske materialer såsom proteser, katetre og stents 1,6,7. Den tætte tredimensionelle struktur af biofilm begrænser infiltrationen af svampedræbende stoffer, udtrykker lægemiddelresistente gener og nedregulerer svampecellernes metabolisme for at modstå immunsystemets clearance 6,7. Derfor er biofilmrelaterede infektioner ret udfordrende i klinikker8.
Staphylococcus aureus, koagulase-negative stafylokokker og enterobacter er de vigtigste patogener, der forårsager PJI9. Selvom forekomsten af svampe-PJI er relativt lav (ca. 1%)10, er behandlingsomkostningerne for svampe-PJI højere11, behandlingscyklussen er længere11, og behandlingssuccesraten er lavere10 end bakteriel PJI. I de senere år har forekomsten af svampe PJI været stigende år for år10. Candida PJI tegner sig for 77% -84% af svampe PJI10,12, og C. albicans er den mest almindelige i Candida (54%). Derfor skal svampe PJI undersøges.
I øjeblikket behandles PJI via revisionskirurgi ved (1) at fjerne det inficerede implantat, (2) debridering, (3) antimikrobiel behandling og (4) reimplantation. Efter grundig debridering placeres et antibiotikum, der indeholder knoglecement, og patienten behandles systematisk med antibiotika i mere end 6 uger for effektivt at kontrollere infektionen, før et nyt implantat placeres13. Denne metode kan imidlertid ikke fuldt ud eliminere patogener i væv, og tilbagevendende infektioner behandlet med langvarig antimikrobiel terapi er højst sandsynligt at udvikle sig i lægemiddelresistente stammer 14,15,16.
Etablering af dyremodeller af PJI er vigtig for forskning og udvikling af nye lægemidler eller terapi til PJI. I udviklingen af PJI dannes store døde rum omkring protesen, hvilket fører til dannelse af hæmatomer, som yderligere blokerer blodforsyningen til det omgivende væv og forringer virkningen af antibiotika11,15. På grund af vanskeligheden ved at efterligne protesens omgivende miljø kan traditionelle dyremodeller ikke nøjagtigt simulere den faktiske situation for PJI17,18.
I dette papir blev en C. albicans biofilmassocieret PJI-model i mus konstrueret ved hjælp af en klinisk udbredt titanium-nikkeltråd til at simulere ledimplantater19,20. Denne PJI-model udviser fordelene ved nem betjening, høj succesrate, høj repeterbarhed og høj klinisk korrelation. Det forventes at være en vigtig model for undersøgelse af forebyggelse og behandling af C. albicans biofilmrelaterede PJI.
Protocol
Representative Results
Discussion
Infektionen forårsaget af forurening af kirurgiske instrumenter eller det kirurgiske miljø under operationen er hovedårsagen til de fleste implantatinfektioner 24,25,26,27. Derfor blev en mus C. albicans biofilmrelateret PJI-model konstrueret i denne undersøgelse. Sammenlignet med den traditionelle PJI-model, hvor sterile rustfrie stålpartikler suspenderet i saltvand blev anvendt …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi er taknemmelige for den økonomiske støtte fra Natural Science Foundation of Shaanxi-provinsen (bevillingsnummer 2021SF-118) og National Natural Science Foundation of China (bevillingsnummer 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).
