CC BY
4
УДК 678.744.72
Винокурова А.А., Меликова Р.Э., Сокорова Н.В., Цискарашвили А.В., Артюхов А.А.
СИСТЕМЫ С КОНТРОЛИРУЕМЫМ ВЫДЕЛЕНИЕМ АНТИБИОТИКА НА ОСНОВЕ СШИТЫХ ГИДРОГЕЛЕЙ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА
Винокурова Александра Алексеевна - магистр 1-го года обучения кафедры биоматериалов; vinokurovarhtu@gmail.com.
Сокорова Наталья Вячеславовна - кандидат химических наук, главный специалист кафедры биоматериалов; nv_sokorova@mail.ru.
Артюхов Александр Анатольевич - доктор химических наук, профессор кафедры биоматериалов; artyukhow@yandex.ru.
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, д. 9.
Меликова Регина Энверпашаевна - аспирант отделения последствий травм опорно-двигательной системы и гнойных отложений; regina-melikova@mail.ru.
Цискарашвили Арчил Важаевич - кандидат медицинских наук, врач - травмотолог-ортопед высшей
квалификационной категории, заведующий отделением последствий травм опорно-двигательной системы и
гнойных осложнений; armed05@mail.ru.
ФГБУ «НМИЦ ТО им. Н.Н. Приорова» Минздрава России,
Россия, Москва, 127299, ул. Приорова, д. 10.
В статье рассмотрена и сравнена динамика выделения лекарственных препаратов из образцов полимерных гидрогелей на основе поливинилового спирта и из образцов костного цемента. Представлены эффективные системы для контролируемого выделения антибиотика по сравнению с системами на основе костного цемента.
Ключевые слова: костный цемент, поливиниловый спирт, гидрогели, антибиотики, контролируемое выделение.
SYSTEMS WITH CONTROLLED ANTIBIOTIC RELEASE BASED ON POLYVINYL ALCOHOL LINKED HYDROGELS
Vinokurova A.A.1, Melikova R.E.2, Sokorova N.V.1, Tsiskarashvili A.V.2, Artyukhov A.A.1
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
2 N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics, Moscow, Russia
The article discusses and compares the dynamics of drug isolation from samples ofpolymer hydrogels based on polyvinyl alcohol and from samples of bone cement. Effective systems for controlled antibiotic isolation are presented, compared with systems based on bone cement.
Key words: bone cement; polyvinyl alcohol; hydrogels; antibiotics; controlled release.
Введение
Поражения костных тканей пиогенными бактериями или микобактериями, способные вызывать гнойно-некротические процессы, в костях и костном мозге, а также в окружающих их мягких тканях, является серьезным осложнением при травмах опорно-двигательной системы [1]. В последние годы данная проблема усугубляется с появлением новых антибиотикорезистентных форм микроорганизмов. Для эффективного лечения и предотвращения подобных осложнений
используются системы с контролируемым выделением антибиотиков, позволяющих подавлять развитие патогенной микрофлоры в очаге поражения и прилежащих тканях на протяжении нескольких недель.
Единственным материалом, который в настоящее время может быть использован в клинической практике для этих целей [2-3], является костный цемент - материал, достоинствами которого являются только его доступность и механическая прочность.
Материалами же, обладающими наиболее
близким к требуемому комплексом свойств, являются полимерные гидрогели на основе синтетических полимеров.
В рамках настоящей работы изучалась принципиальная возможность использования полимерных систем на основе ненасыщенных производных поливинилового спирта. Данные системы характеризуются низкой токсичностью, способностью к биодеструкции и возможностью формирования гидрогеля in situ и in vivo и рядом других свойств, делающих их весьма привлекательными для использования в рассматриваемой области применения [4]. Экспериментальная часть
В работе изучалась динамика выделения широко используемых в клинической практике при лечении остеомиелита антибиотиков (ванкомицина, цефазолина, рифампицина, гентамицина и тобрамицина) из образцов полимерных гидрогелей и костного цемента, а также антимикробная активность полученных образцов гидрогелей и костного цемента с включенными препаратами в отношении наиболее часто идентифицируемых
микробных агентов при костно-суставной инфекции: Staphylococcus aureus (метициллинчувствительный (MSSA) и метициллинрезистентный штаммы (MRSA)), Staphylococcus epidermidis (MSSE) и представителя грамотрицательной микрофлоры -Acinetobacter baumannii (A. baumannii).
Динамика выделения введенного препарата изучалась при помощи спектрофотометрии. Цилиндрические образцы объемом 4 см3, содержащие антибиотик, помещались в 10-кратный избыток фосфатного буфера и инкубировались при температуре 37 °C. Через 1 час и на 1,3,7,14,21 и 28 сутки проводили полную замену среды.
На рисунке 1 (А), (Б), (В) продемонстрированы данные, характеризующие динамику выделения антибиотиков из образцов костного цемента и сшитого гидрогеля.
Для всех изученных антибиотиков в случае
(А)
100 -,
и ri hi
CQ
100 п
80 -
60 -
40 -
20
использования костного цемента имело место выделение не более 10-12 % включенного препарата, что свидетельствует об элюции препарата лишь из поверхностных слоев образца. По прошествии всего 3-4 суток скорость выделения снижается на порядок, в силу чего для большинства использованных концентраций к 14 дню наблюдения содержание выделенного препарата в растворе становится ниже минимальной подавляющей концентрации в отношении большинства штаммов бактерий.
В случае же полимерных гидрогелей выделение антибиотика достигает более 70% (пример характерных зависимостей можно видеть на рис.1). При этом скорость выделения и концентрация антибиотика в растворе в случае его включения в полимерные гидрогели кратно превосходила аналогичные показатели, демонстрируемые образцами на основе костного цемента.
(Б)
(В)
100 п
10 20 о
Время, сутки
10 20 Время, сутки
10 20 Время, сутки
Рис. 1. Зависимости относительной доли препарата, выделившегося из образцах на основе костного цемента (•) и гидрогеля (о) от времени. (А) - Ванкомицин, 60 мкг/мл; (Б) - Рифампицин 40 мкг/мл; (В) - Цефалозин 40 мкг/мл.
Микробиологические исследования подтвердили описанные зависимости. Так антимикробная активность образцов на основе полимерных гидрогелей в отношении тест-культур ведущих возбудителей костно-суставной инфекции ожидаемо заметно превосходила активность,
продемонстрированную образцами на основе костного цемента (рис.2).
Все гидрогелевые образцы, насыщенные антибиотиками, продемонстрировали длительный (более 7 суток) выраженный бактерицидный эффект в отношении ведущих возбудителей ортопедической
инфекции по сравнению с ПММА.
Гидрогелевая матрица, насыщенная
ванкомицином, продемонстрировала наиболее длительное подавляющее действие, которое было постоянным практически на протяжении 6 суток в отношении штаммов MRSA. Первое несущественное снижение активности зарегистрировано на 7 сутки исследования. У образцов, содержащих гентамицин, диаметр области ингибирования чувствительных штаммов S. aureus зафиксировано на 4 сутки культивирования.
Ванкомпцнн
маял
Гентамнцнн \ISSA
Цеф ¡1.1из]ш \ISSE
© \ Ж ^ Л © щ
□ о к ы 0
□ с □
Гидрогелевая матрица
Костный цемент
1 сутки
2 сутки
3 сутки
6 О I кн
7 сутки
Рис. 2. Антимикробная активность антибиотиков, импрегнированных в гидрогель и костный.
В случае костного цемента образцы, импрегнированные ванкомицином, гентамицином, показали наихудший эффект. Область задержки роста МЯБА и МББА вокруг данных образцов с первых дней исследования была неравномерной. Так, на 1 сутки инокуляции активность ПММА в обоих случаях снизилась, особенно ванкомицина. При этом, высвобождение препаратов, как демонстрирует рис. 2, через 48 часов относительно гентамицина происходит с половины поверхности цементного образца, с 3 по 6 сутки - с 1/3 его поверхности, в случае ванкомицина - с %, после с % ее поверхности соответственно. В последний день исследования противомикробная активность обоих образцов полностью прекратилась.
Низкая скорость элюции ванкомицина из ПММА, связана с высокой молярной массой его частиц и низкой водорастворимостью. Как известно, большие фракции ванкомицина (>99%), включенного в костный цемент, остаются изолированными в порах матрицы и теряют свою биодоступность после его затвердевания. Массоперенос частиц (Е) для ванкомицина составляет 0,0001-0,008 независимо от степени его загрузки в состав ПММА.
Кратковременный ингибирующий эффект костного цемента связан с релизом на первой стадии, в подавляющем большинстве, поверхностно-связанных частиц препарата, диффузия из объема задействована в меньшей степени, поскольку основная часть антибиотика замурована в порах матрицы и его элюция затруднена. Повышение концентрации лекарственного агента в ПММА способствует появлению только приповерхностных участков.
Неравномерное и неконтролируемое подавление тест-культур происходит в результате неоднородного распределения лекарственного агента
в цементном материале при ручном смешивании его компонентов. Вследствие чего, релиз чрезмерных концентраций агента одними участками ПММА может негативно повлиять на состояние остеобластических клеток, элюция же недостаточных концентраций - стать источником обострения ортопедической инфекции и приобретением штаммами микроорганизмов резистентных свойств. Кроме того, гидрофобность ПММА сопряжена с адгезией микробной флоры к поверхности имплантата и формированию ими микробных биопленок.
Наилучший антимикробный эффект выявлен у цефазолина, высвобожденного как из гидрогеля, так и ПММА. Профиль антимикробной активности у обоих образцов растет постепенно и достигает максимального пика через 72 часа наблюдения. На 6 сутки активность полимерного гидрогеля несущественно снизилась. Однако необходимо отметить, что ингибирующее действие образца на основе полимерного гидрогеля, было значимо выше активности цемента в течение всего периода исследования.
Известно, что элюция высоких концентраций цефалозина из объема полиметилметакрилатной матрицы зависит от низкой молярной массы частиц антибиотика и хорошей его водорастворимости, что прямо коррелирует с ее антимикробной активностью, и объясняет такую высокую активность костного цемента, импрегнированного цефазолином, в отношении МББЕ.
На протяжении всего периода исследования область подавления роста всех тестируемых микроорганизмов вокруг образцов полимерного гидрогеля имел правильную круглую форму. Учитывая исходные концентрации,
импрегнированные в объем матрицы, постепенное снижение активности и данные, зарегистрированные
в последние сутки исследования, можно заключить, что гидрогели обладают пролонгированным бактерицидным действием и равномерном распределении частиц лекарственного агента в матрице независимо от их физико-химических свойств.
Полимерные гидрогели создают в очаге инфекции высокие концентрации антибиотика в течение длительного периода времени, что выгодно их отличает от костного цемента, эффективность которого ограничена поверхностным релизом препарата. Помимо этого, гидрофильная поверхность, эластичность, простая техника изготовления, контролируемое минимальное желирования материала при комнатной температуре, а также биосовместимость и отсутствие токсичности делают полимерные гидрогели более оптимальной депо-системой для лечения ортопедической инфекции.
Заключение
Таким образом, нами продемонстрирована принципиальная возможность создания систем на основе ненасыщенных производных поливинилового спирта с контролируемым релизом антибиотиков, потенциально превосходящих по своим свойствам применяемого в настоящее время в клинической практике костного цемента.
Данная работа связана с достижением одной из целей устойчивого развития: Цель 3 Хорошее здоровье и благополучие.
Список литературы
1. Anagnostakos K, Meyer C. Antibiotic Elution from Hip and Knee Acrylic Bone Cement Spacers: A Systematic Review // Biomed Res Int. - 2017. -4657874. DOI: 10.1155/2017/4657874
2. Peretsmanas E.O., Аrtyukhov A.A., Shtilman M.I., Esin I.V., Zubikov V.S., Gerasimov I.A. Study of elution characteristics of anti-tuberculosis drugs mixed with bone cement // Tuberculosis and Lung Diseases. -2021. - V. 99. - № 4. - Р.30-35 (In Russ.). DOI: 10.21292/2075 -1230-2021 -99-4-30-3.
3. Galvez-Lopez R., Pena-Monje A., Antelo-Lorenzo R., Guardia-Olmedo J., Moliz J., Hernandez-Quero J., Parra-Ruiz J. Elution kinetics, antimicrobial activity, and mechanical properties of 11 different antibiotic loaded acrylic bone cement // Diagn. Microbiol. Infect. Dis. -2014. - Vol. 78. - № 1. - Р. 70-74. D0I:10.1016/j.diagmicrobio.2013.09.014
4. Моргачёва А. А., Артюхов А. А., Панов А. В., Гордиенко М. Г., Межуев Я.О., Штильман М. И. Синтез поливинилового спирта с метакрилатными группами и гидрогелей на его основе // Журнал прикладной химии. — 2015. —Т. 88. - № 4. - С. 585589.
