Farede Periprostetik Eklem Candida albicans Enfeksiyon Modeli
Summary
Tehlikeli patojenlerin neden olduğu periprostetik eklem enfeksiyonu (PEE) klinik ortopedide yaygındır. Mevcut hayvan modelleri, PJI’nin gerçek durumunu doğru bir şekilde simüle edemez. Burada, PJI için yeni terapötikler araştırmak ve geliştirmek için Candida albicans biyofilm ile ilişkili bir PJI fare modeli kurduk.
Abstract
Periprostetik eklem enfeksiyonu (PEE), cerrahları ve bilim adamlarını giderek daha fazla ilgilendiren Candida albicans’ın (C. albicans) neden olduğu yaygın enfeksiyonlardan biridir. Genel olarak, enfeksiyon bölgesinde C. albicans’ı antibiyotiklerden ve immün klirenstan koruyabilen biyofilmler oluşur. Enfekte implantın çıkarılması, debridman, antimikrobiyal tedavi ve reimplantasyonu içeren cerrahi, PEE tedavisinde altın standarttır. Bu nedenle, hayvan PJI modellerinin oluşturulması, PJI için yeni ilaçların veya terapötiklerin araştırılması ve geliştirilmesi için büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, ortopedi kliniklerinde yaygın olarak kullanılan bir implant olan pürüzsüz bir nikel-titanyum alaşımlı tel, C. albicans tel boyunca eklem boşluğuna aşılanmadan önce bir C57BL/6 faresinin femoral eklemine yerleştirildi. 14 gün sonra, taramalı elektronik mikroskop (SEM) altında implantların yüzeyinde olgun ve kalın biyofilmler gözlendi. Enfekte eklem örneklerinin H&E boyamasında önemli ölçüde azalmış bir kemik trabekülü bulundu. Özetlemek gerekirse, kolay kullanım, yüksek başarı oranı, yüksek tekrarlanabilirlik ve yüksek klinik korelasyon avantajlarına sahip bir fare PEE modeli oluşturulmuştur. Bunun, C. albicans biyofilm ile ilişkili PEE önlemenin klinik çalışmaları için önemli bir model olması beklenmektedir.
Introduction
Candida albicans (C. albicans) insan vücudunun birçok yerinde yaygın olarak bulunur1, bu aynı zamanda özellikle bağışıklığı baskılanmış hastalarda hayatı tehdit eden invaziv mantar enfeksiyonlarına neden olan en yaygın fırsatçı patojendir 2,3. C. albicans, polimorfik bir mantar olarak maya ve miselyum durumları arasında dönüşebilir. Miselyum durumu daha yüksek virülans, daha güçlü yapışma ve hücre ve dokuların istilasısergiler 4,5. Ayrıca C. albicans, takma dişler, kateterler ve stentler gibi biyomedikal malzemelerin yüzeylerinde biyofilm oluşturabilir 1,6,7. Biyofilmlerin yoğun üç boyutlu yapısı, antifungal ilaçların infiltrasyonunu kısıtlar, ilaca dirençli genleri eksprese eder ve bağışıklık sistemi klerensine direnmek için mantar hücrelerinin metabolizmasını aşağı regüle eder 6,7. Bu nedenle biyofilmlere bağlı enfeksiyonlar kliniklerde oldukça zorlayıcıdır8.
Staphylococcus aureus, koagülaz negatif stafilokok ve enterobakter PEE9’a neden olan başlıca patojenlerdir. Fungal PEE insidansı nispeten düşük (yaklaşık% 1) olmasına rağmen10, fungal PEE’nin tedavi maliyeti daha yüksektir11, tedavi döngüsü daha uzundur11 ve tedavi başarı oranı bakteriyel PEE’den daha düşüktür10. Son yıllarda fungal PEE görülme sıklığı her geçen yıl artmaktadır10. Candida PJI, mantar PJI10,12’nin %77-84’ünü oluşturur ve C. albicans Candida’da en yaygın olanıdır (%54). Bu nedenle, mantar PJI’nin incelenmesi gerekir.
Şu anda PEE, (1) enfekte implantın çıkarılması, (2) debridman, (3) antimikrobiyal tedavi ve (4) reimplantasyon ile revizyon cerrahisi ile tedavi edilmektedir. Kapsamlı bir debridmandan sonra, kemik çimentosu içeren bir antibiyotik yerleştirilir ve yeni bir implant yerleştirilmeden önce enfeksiyonu etkili bir şekilde kontrol etmek için hasta 6 haftadan fazla bir süre boyunca sistemik olarak antibiyotiklerle tedavi edilir13. Bununla birlikte, bu yöntem dokulardaki patojenleri tamamen ortadan kaldıramaz ve ilaca dirençli suşlarda uzun süreli antimikrobiyal tedavi ile tedavi edilen tekrarlayan enfeksiyonların gelişme olasılığı yüksektir 14,15,16.
PJI’nin hayvan modellerinin oluşturulması, PJI için yeni ilaçların veya terapötiklerin araştırılması ve geliştirilmesi için önemlidir. PEE gelişiminde, protez çevresinde geniş ölü boşluklar oluşur, bu da çevre dokuların kanlanmasını daha da engelleyen ve antibiyotiklerin etkisini bozan hematomların oluşumuna yol açar11,15. Protezin çevresindeki ortamı taklit etmenin zorluğu nedeniyle, geleneksel hayvan modelleri PJI17,18’in gerçek durumunu doğru bir şekilde simüle edemez.
Bu yazıda, eklem implantlarını simüle etmek için klinik olarak yaygın olarak kullanılan bir titanyum-nikel tel kullanılarak farelerde bir C. albicans biyofilm ile ilişkili PJI modelioluşturulmuştur 19,20. Bu PJI modeli, kolay kullanım, yüksek başarı oranı, yüksek tekrarlanabilirlik ve yüksek klinik korelasyon avantajlarını sergiler. C. albicans biyofilm ile ilişkili PJI’nin önlenmesi ve tedavisinin incelenmesi için önemli bir model olması beklenmektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ameliyat sırasında cerrahi aletlerin veya cerrahi ortamın kontaminasyonundan kaynaklanan enfeksiyon, çoğu implant enfeksiyonunun ana nedenidir 24,25,26,27. Bu nedenle, bu çalışmada bir fare C. albicans biyofilm ile ilişkili PJI modeli oluşturulmuştur. İmplant olarak salin içinde süspanse edilmiş steril paslanmaz çelik partiküllerin kullanıldığı geleneksel PEE model…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Shaanxi Eyaleti Doğa Bilimleri Vakfı’ndan (hibe numarası 2021SF-118) ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı’ndan (hibe numaraları 81973409, 82204631) gelen mali destek için minnettarız.
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).
