ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕКАРСТВЕННОГО ИМПЛАНТАТА, ИЗГОГОТОВЛЕННОГО НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ТРЁХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ, ПРИ ЛЕЧЕНИИ ХРОНИЧЕСКОГО ОСТЕОМИЕЛИТА

Остеомиелит — это воспалительный процесс, приводящий к разрушению костной ткани с последующим её некротическом разрушением и образованием новых костных структур. Такие процессы прогрессируют до развития хронического и стойкого состояния, имеющего продолжительный характер. Это становится большой проблемой для врачей и пациентов, страдающих от боли, которая нередко заканчивается инвалидностью [1,2]. Как только хроническая инфекция развивается, бактериальный клиренс не может быть достигнут только иммунной системой или антимикробной терапией из-за нарушенной васкуляризации и биоплёнок, образованных патогенной бактериальный флорой (например, золотистый стафилококк) [3,4].

В этот момент хирургическое удаление очага инфекции необходимо для полного разрешения инфекции, и лекарственный имплантат представляет собой идеальный трансплантат для заполнения дефекта кости после удаления некротических очагов, что даёт значительное преимущество [5]. Находясь в имплантате, антибиотик высвобождается постепенно, по мере того, как он разрушается с поверхности имплантата или диффундирует через микропоры и каналы после проникновения жидкости [6]. Это обеспечивает более высокую местную концентрацию антибиотиков, чем при внутривенном введении, и дополнительно позволяет избежать токсичности, связанной с высокими уровнями в кровотоке  [7,8].

Извлекая пользу из развития науки и биоматериалов, имплантат препарата может исправить дефект кости и быть использован как каркас из-за его пористости, являясь биосовместимым, не приводящим к отторжению.  Поэтому для лечения остеомиелита были сделаны разные лекарственные имплантаты (местные системы доставки лекарств) [9,10], в том числе гидроксиапатитовый костный цемент с ванкомицином, полиметилметакрилатные шарики (ПММА) или коллагеновая губка с гентамицином. Несмотря на то, что используется сочетание биоматериала и лекарственных средств, при их изготовке (процесс сублимационный сушки [11] и компрессии [12]) получается гомогенно соединённый материал, что приводит к потере контроля над архитектурой имплантатов и свойствами высвобождения лекарственных средств.

Недавно был разработан новый и вполне осуществимый метод, технология 3D-печати (3DP), для изготовления некоторых лекарственных имплантатов с предварительно разработанной архитектурой [13,14]. Рассматривая технологию прототипирования, 3DP работает особым образом, схожим со «струйным принтером», чтобы создать точный трёхмерный продукт, состоящий из серии двумерных слоёв. Показано, что технология 3DP обладает способностью изготавливать лекарственные имплантаты со сложной микроструктурой, а не только со сложными макроформами [15]. Также эта технология позволяет изменить положение лекарственного средства на имплантате для контроля свойства высвобождения препарата [16-19]. Несмотря на это, отсутствуют исследования, касающиеся применения трёхмерной печати с использованием мультилекарственного имплантата в качестве терапевтического средства при лечении хронического остеомиелита.

Левофлоксацин (LVFX) — антибиотик широкого спектра действия, класс препаратов фторхинолонов. Он действует путем ингибирования двух ферментов топоизомеразы типа II (а именно ДНК-гиразы и топоизомеразы IV) и предотвращения синтеза и репликации бактериальной ДНК [20].  Тобрамицин (TOB) является аминогликозидным антибиотиком, полученным из Streptomyces tenebrarius и используемым для лечения различных типов бактериальных инфекций, в частности грамотрицательных инфекций. Он работает путем связывания с местом на бактериальной рибосоме 30S и 50S, предотвращая образование комплекса 70S. В результате мРНК не может быть переведена в белок, и наступает гибель клеток [21].

Исследования на животных. В этом исследовании были взяты 12 белых взрослых кроликов-самцов. Кролики были разделены на две группы: контрольную и опытную (n=6 в каждой группе). Животные из контрольной группы получали те же хирургические процедуры, но без 3D-печатного имплантата, а животные из экспериментальной группы получали 3D-печатные имплантаты LVFX-TOB-лекарства. Спроектирован и изготовлен многослойный имплантат, содержащий LVFX и TOB, с многослойной концентрической цилиндрической конструкцией по технологии 3DP. Имплантаты помещались в место повреждения костной структуры при одинаковых операциях на 12 кроликах с разработанной животной моделью хронического остеомиелита [22].

Через три недели после индукции инфекции [8,24] все кролики были обработаны очаговым дебридмированием, и ткань была оценена гистологически [22]. Инфекция и хроническая стадия остеомиелита были подтверждены гистологическим, рентгенологическим исследованием. Все кролики прошли вторую операцию. После проведения фокальной деб-ридации с помощью сверла диаметром 1,4 мм в экспериментальной группе применяли 3D печатные имплантаты LVFX-TOB-лекарства, а в контрольной группе — пустые 3D печатные имплантаты лекарств.

В этом исследовании рацион животных опытной группы, их жизнестойкость и активность стали улучшаться уже после выписки, и в первые две недели рана зажила без покраснения и гнойной секреции [22]. Вес животных опытной группы начал постепенно увеличиваться через неделю после проведения дебридинга. За весь период наблюдения рецидивов остеомиелита, свищевого гноя или образования отмерших костей не выявлено. Рентгенологическое обследование показало, что остеомиелит бедренной кости излечивается с устранением инфекции и костного сращения, а признаки инфекции постепенно улучшаются и даже исчезают. Через восемь недель после дебридинга наблюдалось только остаточное утолщение костной коры, вызванное гиперплазией периостальной реакции, и отсутствие явных признаков активного остеомиелита [22]. Гистопатологическое исследование показало, что костномозговая полость была свободной и заполненной нормальными клетками костного мозга, при этом не было обнаружено ни воспалительных клеток, ни отмерших костных образований [22].

По сравнению с опытной группой, рацион животных контрольной группы был улучшен в первые два-три дня после дебридинга, но ухудшился позже, так же как и покраснение и отек раны, усугубленные гнойной секрецией. Раневое расслоение, образование свищей, отек мягких тканей и абсцесс были обнаружены через 1-2 недели после дебридинга. Один кролик умер через четыре недели после выписки, а остеомиелит у остальных пяти кроликов возобновился. Масса тела животных контрольной группы не увеличивалась в течение всего периода наблюдения (Р<0.05) [22]. Рентгенологическое исследование показало, что остеомиелит бедренной кости прогрессировал и сопровождался деструкцией костной ткани и формированием омертвевшей кости [22]. Гистопатологическое исследование показало, что костномозговая полость была заполнена воспалительными грануляционными и некротическими тканями, сопровождающимися отмершим костеобразованием и бактериальным комком [22].

Использованная литература:

1. Mader JT, Mohan D and Calhoun J. A practical guide to the diagnosis and management of bone and joint infections. Drugs 1997; 54: 253–264.
2. Lazzarini L, Mader JT and Calhoun JH. Osteomyelitis in long bones. J Bone Joint Surg Am 2004; 86-a: 2305–2318.
3. PatzakisMJand ZalavrasCG. Chronic posttraumatic osteomyelitis and infected nonunion of the tibia: current management concepts. J Am Acad Orthop Surg 2005; 13: 417–427.
4. Daramola JO and Ajagbe HA. Chronic osteomyelitis of the mandible in adults: a clinical study of 34 cases. Br J Oral Surg 1982; 20: 58–62.
5. Hanssen AD. Local antibiotic delivery vehicles in the treatment of musculoskeletal infection. Clin Orthop Relat Res 2005; 437: 91–96.
6. Mendel V, Simanowski HJ, Scholz HC, et al. Therapy with gentamicin PMMA beads, gentamicin-collagen sponge, and cefazolin for experimental osteomyelitis due to Staphylococcus aureus in rats. Arch Orthop Trauma Surg 2005; 125: 363–368.
7. Chu TM, Orton DG, Hollister SJ, et al. Mechanical and in vivo performance of hydroxyapatite implants with controlled architectures. Biomaterials 2002; 23: 1283–1293.
8. Castro C, Sanchez E, Delgado A, et al. Ciprofloxacin implants for bone infection. In vitro-in vivo characterization. J Control Release 2003; 93: 341–354.
9. van de Belt H, Neut D, Uges DR, et al. Surface roughness, porosity and wettability of gentamicin-loaded bone cements and their antibiotic release. Biomaterials 2000; 21: 1981–1987.
10. Joosten U, Joist A, Gosheger G, et al. Effectiveness of hydroxyapatite-vancomycin bone cement in the treatment of Staphylococcus aureus induced chronic osteomyelitis. Biomaterials 2005; 26: 5251–5258.
11. Sultana N and Wang M. Fabrication of HA/PHBV composite scaffolds through the emulsion freezing/freezedrying process and characterisation of the scaffolds. J Mater Sci Mater Med 2008; 19: 2555–2561.
12. Liu SJ and Wen-Neng Ueng S. A novel solvent-free method for the manufacture of biodegradable antibiotic-capsules for a long-term drug release using compression sintering and ultrasonic welding techniques. Biomaterials 2005; 26: 4662–4669.
13. Ursan ID, Chiu L and Pierce A. Three-dimensional drug printing: a structured review. J Am Pharm Assoc 2013; 53: 136–144.
14. Yu DG, Branford-White C, Ma ZH, et al. Novel drug delivery devices for providing linear release profiles fabricated by 3DP. Int J Pharm 2009; 370: 160–166.
15. Wu BM and Giordano RA. Solid free-form fabrication of drug delivery devicess. J Control Release 1996; 40: 77–87.
16. Huang W, Zheng Q, Sun W, et al. Levofloxacin implants with predefined microstructure fabricated by three dimensional printing technique. Int J Pharm 2007; 339: 33–38.
17. Wu W, Zheng Q, Guo X, et al. The controlled-releasing drug implant based on the three dimensional printing technology: Fabrication and properties of drug releasing in vivo. J Wuhan Univ Technol-Mater Sci Ed 2009; 24: 977–981.