En periprotetisk ledinfektionsmodell för Candida albicans hos mus
Summary
Periprotetisk ledinfektion (PJI) orsakad av farliga patogener är vanligt inom klinisk ortopedi. Befintliga djurmodeller kan inte exakt simulera den verkliga situationen för PJI. Här etablerade vi en Candida albicans biofilm-associerad PJI-musmodell för att forska och utveckla nya terapier för PJI.
Abstract
Periprotetisk ledinfektion (PJI) är en av de vanligaste infektionerna som orsakas av Candida albicans (C. albicans), vilket i allt högre grad oroar kirurger och forskare. I allmänhet bildas biofilmer som kan skydda C. albicans från antibiotika och immunclearance på infektionsstället. Kirurgi som involverar avlägsnande av det infekterade implantatet, debridering, antimikrobiell behandling och reimplantation är guldstandarden för behandling av PJI. Att etablera PJI-modeller för djur är därför av stor betydelse för forskning och utveckling av nya läkemedel eller terapier för PJI. I denna studie sattes en slät nickel-titanlegeringstråd, ett allmänt använt implantat på ortopediska kliniker, in i lårbensleden på en C57BL/6-mus innan C. albicans inokulerades i ledhålan längs tråden. Efter 14 dagar observerades mogna och tjocka biofilmer på ytan av implantat under ett svepande elektroniskt mikroskop (SEM). En signifikant reducerad bentrabekel hittades vid H&E-färgning av de infekterade ledproverna. Sammanfattningsvis etablerades en PJI-modell för möss med fördelarna med enkel användning, hög framgångsrik hastighet, hög repeterbarhet och hög klinisk korrelation. Detta förväntas bli en viktig modell för kliniska studier av C. albicans biofilmrelaterade PJI-prevention.
Introduction
Candida albicans (C. albicans) finns i många delar av människokroppen1, som också är den vanligaste opportunistiska patogenen som orsakar livshotande invasiva svampinfektioner, särskilt hos immunsupprimerade patienter 2,3. C. albicans kan transformeras mellan jäst- och myceltillstånd som en polymorf svamp. Myceltillståndet uppvisar högre virulens, starkare vidhäftning och invasion av celler och vävnader 4,5. Dessutom kan C. albicans bilda biofilmer på ytorna av biomedicinska material som proteser, katetrar och stentar 1,6,7. Den täta tredimensionella strukturen av biofilmer begränsar infiltrationen av svampdödande läkemedel, uttrycker läkemedelsresistenta gener och nedreglerar svampcellernas metabolism för att motstå immunsystemets eliminering 6,7. Därför är biofilmsrelaterade infektioner ganska utmanande på kliniker8.
Staphylococcus aureus, koagulasnegativa stafylokocker och enterobacter är de viktigaste patogenerna som orsakar PJI9. Även om incidensen av svamp-PJI är relativt låg (cirka 1 %)10, är behandlingskostnaden för svamp-PJI högre11, behandlingscykeln är längre11 och behandlingsframgången är lägre10 än bakteriell PJI. Under de senaste åren har förekomsten av svamp PJI ökat år för år10. Candida PJI står för 77%-84% av svamp PJI10,12, och C. albicans är den vanligaste i Candida (54%). Därför behöver svamp-PJI studeras.
För närvarande behandlas PJI via revisionskirurgi genom att (1) ta bort det infekterade implantatet, (2) debridering, (3) antimikrobiell behandling och (4) reimplantation. Efter noggrann debridering placeras ett antibiotikum innehållande bencement och patienten behandlas med antibiotika systemiskt i mer än 6 veckor för att effektivt kontrollera infektionen innan ett nytt implantat sätts in13. Denna metod kan dock inte helt eliminera patogener i vävnader, och återkommande infektioner som behandlas med långvarig antimikrobiell behandling kommer med stor sannolikhet att utvecklas i läkemedelsresistenta stammar 14,15,16.
Att etablera djurmodeller av PJI är viktigt för forskning och utveckling av nya läkemedel eller terapier för PJI. Vid utvecklingen av PJI bildas stora döda utrymmen runt protesen, vilket leder till bildandet av hematom, vilket ytterligare blockerar blodtillförseln till de omgivande vävnaderna och försämrar effekten av antibiotika11,15. På grund av svårigheten att efterlikna protesens omgivande miljö kan traditionella djurmodeller inte exakt simulera den faktiska situationen för PJI17,18.
I denna artikel konstruerades en C. albicans biofilm-associerad PJI-modell i möss genom att använda en kliniskt allmänt använd titan-nickeltråd för att simulera ledimplantat19,20. Denna PJI-modell uppvisar fördelarna med enkel användning, hög framgångsrik hastighet, hög repeterbarhet och hög klinisk korrelation. Det förväntas bli en viktig modell för att studera prevention och behandling av C. albicans biofilmrelaterade PJI.
Protocol
Representative Results
Discussion
Infektionen som orsakas av kontaminering av kirurgiska instrument eller den kirurgiska miljön under operationen är den främsta orsaken till de flesta implantatinfektioner 24,25,26,27. Därför konstruerades en biofilm-relaterad PJI-modell från möss i denna studie. Jämfört med den traditionella PJI-modellen där sterila partiklar av rostfritt stål suspenderade i saltlösning anv…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi är tacksamma för det ekonomiska stödet från Natural Science Foundation of Shaanxi Province (anslagsnummer 2021SF-118) och National Natural Science Foundation of China (anslagsnummer 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).
