Сочетание нанотехнологий и фотоники улучшает производительность медицинских сеток для хирургических имплантатов

24 мая 2019

Хирургические медицинские сетки были изобретены около пяти десятилетий назад и с тех пор стали важными элементами в процессах восстановления поврежденных тканей, причем наиболее частым является восстановление грыжи.

Хирургические имплантаты, покрытые золотыми наночастицами (куча сеток слева) по сравнению с оригинальными хирургическими сетками до обработка (куча сеток справа). (Изображение предоставлено ICFO)

Когда эти сетки имплантируются в ткани пациента, гибкая и гибкая конструкция этих продуктов помогает крепко удерживать мышцы и позволяет пациентам быстрее восстанавливаться по сравнению с традиционными операциями по посеву и сшиванию.

И наоборот, всякий раз, когда медицинский имплантат вставляется в тело пациента, во время операции может произойти бактериальное загрязнение, которое впоследствии может привести к образованию инфекционной биопленки на поверхности хирургической сетки. Такие виды биопленок могут вести себя подобно непроницаемому покрытию и предотвращать попадание и уничтожение антибиотиками любого рода бактерий, возникающих на биопленке, и в конечном итоге останавливать инфекцию.

Таким образом, антибиотикотерапия, которая ограничена во времени, скорее всего, не сможет справиться с этими высокоустойчивыми бактериями, и пациент может закончить повторные операции, которые могут даже привести к смерти. По данным Европейской сети эпиднадзора за устойчивостью к противомикробным препаратам (EARS-Net), в 2015 году в Европе более 30 000 смертей были связаны с инфекциями, вызванными бактериями, устойчивыми к антибиотикам.

Ранее был предпринят ряд методов для предотвращения загрязнения имплантатов во время операции. Для борьбы с этими антибиотикоустойчивыми бактериями были признаны и реализованы асептические протоколы после операции, но до сих пор никто не смог решить эту проблему.

В новом исследовании, опубликованном в Nano Letters и подчеркнутом в Nature Photonics исследователи ICFO разработали инновационный метод, который использует фотонику и нанотехнологии, чтобы значительно улучшить производительность медицинских сеток для хирургические имплантаты. В исследовании приняли участие команда ICFO, доктор Игнасио де Мигель и Арантха Альборноз, во главе с Романом Квидантом, профессором ICREA в ICFO, в сотрудничестве с учеными Ирен Прието, доктором Кристиной Вейс, доктором Пау Турон и доктором Ванесой Санз из Б. Брауна – ведущей медицинской прибор и фармацевтическое устройство компании.

С 2012 года исследователи из B. Braun Surgical, S.A. и ICFO непрерывно сотрудничают, и теперь они создали новую медицинскую сетку со специфической особенностью – поверхность сетки была химически изменена, чтобы закрепить бесчисленное количество наночастиц золота. Это было сделано потому, что наночастицы золота могут эффективно превращать свет в тепло в сильно локализованных областях.

В более ранних исследованиях метод использования наночастиц золота в процессах преобразования света в тепло уже был проверен при лечении рака. Кроме того, в ICFO этот метод был применен к ряду более ранних исследований, которые были поддержаны Фондом Cellex. Это еще один яркий пример того, как предыдущая филантропическая поддержка, которая была рассмотрена при решении важных вопросов, в конечном итоге прокладывает путь к основным практическим применениям. Для этого конкретного случая, когда исследователи узнали, что более 20 миллионов операций по восстановлению грыжи проводятся каждый год во всем мире, они предположили, что этот метод может снизить медицинские расходы при повторных операциях и, в то же время, устранить неэффективные и дорогостоящие лечение антибиотиками, которые в настоящее время используются для решения этой проблемы.

Таким образом, в своем новом эксперименте in-vitro и с помощью комплексного процесса исследователи использовали миллионы золотых наночастиц для покрытия хирургической сетки, равномерно распределяя их по всей структуре. Они также исследовали медицинские сетки, чтобы гарантировать отсутствие разрушения материала, долговременную стабильность частиц, а также высвобождение или не отделение наночастиц в окружающей среде (колбе). Затем с помощью сканирующего электронного микроскопа команда наблюдала равномерное распределение наночастиц по структуре.

После того, как настроенная сетка была готова, исследователи подвергали ее воздействию бактерий S.aureus в течение 24 часов, пока они не увидели развитие биопленки на поверхности сетки. Позже они подвергали медицинскую сетку коротким мощным импульсам ближнего инфракрасного света (800 нм) в течение примерно 30 секунд, чтобы убедиться в достижении теплового равновесия, а затем повторили эту процедуру 20 раз с интервалами покоя 4 секунды между каждым импульсом. , Исследователи обнаружили следующие факторы:

Во-первых, они заметили, что освещение медицинской сетки на определенной частоте будет способствовать локализованным поверхностным плазмонным резонансам в наночастицах золота – режиме, который вызывает эффективное преобразование света в тепло при сжигании микроорганизмов на поверхности. Во-вторых, когда исследователи использовали флуоресцентный конфокальный микроскоп, они смогли наблюдать количество бактерий, которые еще живы или умерли. Что касается микроорганизмов, которые продолжают жить, они заметили, что биопленочные бактерии превратились в планктонные клетки, восстанавливая их слабость или чувствительность к лечению антибиотиками, а также к реакции иммунной системы. Что касается мертвых бактерий, исследователи заметили, что когда количество света, доставляемого на поверхность сетки, увеличивается, это приводит к тому, что бактерии теряют свою адгезию и отслаиваются от поверхности сетки. В-третьих, исследователи подтвердили, что работа в ближнем инфракрасном диапазоне была полностью совместима с настройками in vivo, а это означает, что подобная техника вряд ли может повредить окружающие здоровые ткани. Наконец, команда повторила лечение и продемонстрировала, что повторный нагрев медицинской сетки не влиял на ее эффективность преобразования.

Результаты этого исследования проложили путь к использованию плазмонных нанотехнологий для предотвращения образования бактериальной биопленки на поверхности хирургических имплантатов. Есть еще несколько вопросов, которые необходимо решить, но важно подчеркнуть, что такая методика действительно будет означать радикальное изменение операционных процедур и дальнейшее восстановление пациента после операции.

Romain Quidant, профессор ICREA, ICFO

Наше стремление помочь медицинским работникам избежать инфекций, связанных с больницей, подталкивает нас к разработке новых стратегий борьбы с бактериями и биопленками. Кроме того, исследовательская группа изучает возможность распространения такой технологии в других секторах, где биопленки следует избегать.

Доктор Пау Турон, директор по исследованиям и разработкам, B. Braun Surgical, S.A.

Source link