整形外科用インプラントの抗菌コーティングが危険な感染症を防ぐ

整形外科用インプラントの抗菌コーティングが危険な感染症を防ぐ健康
自己組織化ポリマーと抗生物質の混合物を、手持ちの光源を用いてヒトの髄内股関節インプラントに硬化させる。©Duke University

個々の患者に合わせてカスタマイズ可能で、準備と使用に10分もかからない新しい外科用インプラントのコーティングは、マウスを使った実験で感染を100%防ぐことができました。

デューク大学とカリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA)の生物医学エンジニアと外科医は、手術の数分前に整形外科用インプラントに抗生物質のコーティングを施すことで、インプラント周辺での感染の可能性を排除できることを実証しました。

マウスを使った初期の実験では、現在の標準的な治療法である血流中への抗生物質の注入がなくても、このコーティングによってその後の感染がすべて予防されました。

また、20日後、コーティング剤は骨とインプラントの融合能力を低下させることなく、体内に完全に吸収されました。

この結果は、9月16日付の学術誌「Nature Communications」に掲載されました。

このプロジェクトは、デューク大学の生物医学工学教授であるTatiana Segura氏が、UCLAのデヴィッド・ゲフィン医科大学院の臨時理事長兼エグゼクティブ・メディカル・ディレクターで、小児整形外科の腫瘍学と外科学を専門とするNicholas Bernthal氏と出会ったことから始まりました。

Bernthal氏はSegura氏に、「骨がんの治療を受ける子どもたちの多くは、大部分の骨を切除した後、整形外科用のインプラントを必要とします。しかし、患者は化学療法を受けているため、免疫力が低下しており、インプラントの表面に細菌が付着しやすい状態になっているのです。」と言いました。

「化学療法を受けるか、手足を守るか、場合によっては切断しないと生きていけないか、という選択を迫られているのです。彼らが本当に必要としているのは、感染症を防ぐためにインプラントに擦り付けるものです。そこで、私たちはこのコーティング技術を開発し、解決策を提供したいと考えました。」

インプラントの感染症は、子どもやがん患者に限ったことではありません。

例えば人工関節手術では、一次手術の1%、再手術の最大7%に感染が発生し、再手術を繰り返したり、抗生物質の長期静注が必要になります。

しかし、これらの患者の5年後の死亡リスクは、HIV/AIDSや乳がんと診断された患者よりも高いため、治療が必ずしもうまくいくとは限りません。

インプラント感染症は、米国だけでも毎年86億ドル以上の医療費がかかっていると言われています。

感染防止用のコーティング剤を噴霧

自己組織化ポリマーと抗生物質の混合物を硬化させた後、ヒトの髄内股関節インプラントに感染防止用のコーティング剤を噴霧する。©Duke University

これらの感染症を治療する上で問題となるのは、細菌がインプラント自体の表面に定着することです。

つまり、患者の静脈を流れる抗生物質を供給するための血管が、細菌のコロニーを通っていないということです。

唯一の手段は、元のインプラントを除去することですが、これは通常、悪い選択肢でしかありません。

医師の中には、手術の傷口を閉じるときに抗生物質の粉末を使ったり、インプラントを固定するための骨セメントに抗生物質を注入するなど、独自の解決策をとる人もいます。

いずれも、臨床的に効果があるとは証明されていません。

また、インプラントメーカーが自社製品に抗生物質を添加するという方法もあります。

しかし、その場合、製品の保存期間が大幅に短くなり、また、インプラントが新しい分類になるため、FDAの承認を得るまでに時間と手間がかかります。

しかし、Segura氏が開発した抗生物質コーティングは、これらの問題をすべて解決します。

今回の実験に協力したUCLA整形外科の研修医Christopher Hart氏は、「私たちは、ポイントオブケア1医療現場で抗菌剤を放出するコーティングによって、インプラントを細菌の侵入から守り、既存のインプラントに手を加えることなく、手術室で迅速かつ安全に適用できることを示しました。」と述べている。

この新しい抗菌コーティングは、水をはじくポリマーと水とよく混ざるポリマーの2つのポリマーでできています。

この2つのポリマーを、医師が選んだ抗生物質と一緒に溶液にして、ディッピング(浸漬)、ペインティング、スプレーなどの方法で整形外科用インプラントに直接塗布します。

明るい紫外線を照射すると、2つのポリマーが結合して自己組織化し、抗生物質を閉じ込める格子状の構造を形成します。

抗生物質のリファンピシンをポリマーの自己組織化溶液

抗生物質のリファンピシンをポリマーの自己組織化溶液と混合し、ヒトの髄内股関節インプラントにコーティングした。マウスを使った初期の実験では、20日後には、このアプローチによって骨とインプラントの融合能力が損なわれることはなく、ポリマーは体内に完全に吸収され、抗生物質によって感染症が100%予防された。©Duke University

この反応は「クリックケミストリー2クリックケミストリーは化学分野において、簡単かつ安定な結合を作るいくつかの反応を用い、新たな機能性分子を創り出す手法のこと。」の一例で、室温で短時間に起こり、単一の反応生成物のみを生成し、収率が極めて高く、1つの容器内で起こる反応を総称しています。

「この研究は、バイオメディカル分野におけるクリックケミストリーの威力を示す好例です」と語るのは、現在イルミナのシニアサイエンティストで、研究期間中はUCLAの博士研究員であったWeixian Xi氏です。

「この “スマート “で “クリックできる “ポリマーコーティングは、細菌感染からインプラントを保護することを可能にし、個別化されたアプローチを可能にします。」と述べています。

「私たちのコーティングは、ほとんどすべての抗生物質を使用することができるので、個人化することができます。抗生物質は、デバイスが体内のどこに埋め込まれるか、また、手術が行われる世界のどの地域でどのような病原体が一般的かに基づいて、医師が選択することができます。」とSegura氏は続けます。

また、クリックケミストリーのポリマーグリッドは、金属との親和性があります。

様々な種類のインプラントを用いた実験では、外科手術中にコーティングが非常に剥がれにくいことが分かりました。

しかし、体内に入ると、ポリマーが分解され、2〜3週間かけてゆっくりと抗生物質が放出されます。

今回の研究では、脚または脊椎に人工関節を埋め込んだマウスを使って、このコーティングを厳密にテストしました。

20日後、コーティングはインプラントへの骨の成長を阻害せず、感染を100%防ぐことができました。

この期間は、この種の感染症の大半を防ぐのに十分な期間であると研究者らは述べています。

研究者たちは、このコーティング剤をより大きな動物ではまだテストしていません。

人間のような大きな動物は骨が大きく、より大きなインプラントが必要なので、細菌感染を防ぐための表面積ははるかに大きくなります。

しかし、研究者たちは、自分たちの発明がこの課題を解決するものであると確信しており、製品化に必要なステップを踏んでいく予定です。

この学際的な研究は、外科用インプラントの未来を象徴していると思います。

インプラントを感染のホットスポットから “スマート “な抗菌治療に変えるコーティングを提供します。

「感染したインプラントを持つ患者さんを一人でも治療すれば、この技術が患者さんの治療にどれほど大きな変革をもたらすか、多くの人の命と手足を救うことができるかを実感していただけると思います。」と述べています。

Published by Duke University. Weixian Xi et al, Point-of-care antimicrobial coating protects orthopaedic implants from bacterial challenge, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25383-z

 

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