Previenen infecciones peligrosas con recubrimiento antimicrobiano para implantes ortopédicos

Ingenieros y cirujanos biomédicos de la Universidad de Duke y La Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), han demostrado que un recubrimiento antibiótico puede aplicarse a los implantes ortopédicos minutos antes de la cirugía, lo que elimina las posibilidades de una infección alrededor del implante.

De una conversación a una solución

El proyecto inició cuando Tatiana Segura, profesora de ingeniería biomédica en la Universidad Duke (Carolina del Norte), conoció a Nicholas Bernthal, presidente interino y director médico ejecutivo de la Facultad de Medicina David Geffen de UCLA, que se especializa en oncología y cirugía ortopédica pediátrica.

Bernthal comentó a Segura que a muchos niños que reciben tratamiento por cáncer de huesos se les extrae una gran parte del hueso, lo que luego requiere implantes ortopédicos. Pero debido a que los pacientes también suelen recibir quimioterapia, su sistema inmunológico es débil y son especialmente vulnerables a las bacterias que colonizan la superficie del implante.

Estos niños enfrentan la opción de recibir quimioterapia en lugar de salvar su extremidad o incluso, a veces, necesitar amputaciones para sobrevivir, lo que me suena horrible”, declaró Segura. “Todo lo que realmente necesitan es algo para frotar sobre el implante para evitar que se produzca una infección, porque prevenir una infección es mucho más fácil que tratarla. Así que se nos ocurrió esta tecnología de recubrimiento que esperamos proporcione una solución“.

Sin embargo, las infecciones por implantes no son exclusivas de los niños ni de los pacientes con cáncer. Para el reemplazo de articulaciones, por ejemplo, la infección ocurre en el 1% de las cirugías primarias y hasta en el 7% de las cirugías de revisión. Esto requiere cirugías de revisión repetidas y antibióticos intravenosos prolongados. Sin embargo, el tratamiento no siempre funciona, ya que estos pacientes tienen un mayor riesgo de mortalidad a 5 años que los diagnosticados con VIH/SIDA o cáncer de mama. Se estima que las infecciones por implantes le cuestan al sistema de atención médica más de US $8.6 mil millones al año, solo en los Estados Unidos.

Desafíos

Parte del desafío de tratar estas infecciones es que las bacterias colonizan la superficie de los propios implantes. Esto significa que no hay vasos sanguíneos que fluyen a través de las colonias bacterianas para administrar los antibióticos que circulan por las venas del paciente. A menudo, el único recurso es la extracción del implante original, que suele ser la mejor, de las que solo son malas opciones.

Algunos médicos han optado por sus propias soluciones, como usar antibióticos en polvo al cerrar la herida quirúrgica o infundir antibióticos con el cemento óseo utilizado para mantener el implante en su lugar. Ninguna de estas tácticas ha demostrado ser cínicamente eficaz. También existe la opción de que los fabricantes de implantes agreguen propiedades antibióticas a sus dispositivos. Pero esto reduciría en gran medida la vida útil del producto y también requeriría un proceso largo y complicado de aprobación de la FDA, ya que los implantes estarían en una nueva clasificación.

Superándolos

El nuevo recubrimiento antibiótico de Segura evita todos estos desafíos, Christopher Hart, médico residente en Cirugía Ortopédica de UCLA que ayudó a realizar los experimentos detalla que “hemos demostrado que un recubrimiento liberador de antibióticos en el lugar de atención protege los implantes del desafío bacteriano, se puede aplicar de manera rápida y segura en el quirófano sin la necesidad de modificar los implantes existentes“.

Nuevo recubrimiento antimicrobiano

El nuevo recubrimiento antimicrobiano está compuesto por 2 polímeros, uno que repele el agua y otro que se mezcla bien con el agua. Ambos se combinan en una solución con un antibiótico a elección del médico y luego se aplican directamente al implante ortopédico por inmersión, pintura o rociado. Cuando se exponen a una luz ultravioleta brillante, los 2 polímeros se acoplan y se autoensamblan en una estructura en forma de rejilla que atrapa los antibióticos.

La reacción es un ejemplo de “química de clic“, que es una forma general de describir las reacciones que ocurren rápidamente a temperatura ambiente, producen solo un producto de reacción, tienen un rendimiento extremadamente alto y ocurren dentro de un solo recipiente.

Este estudio es un gran ejemplo del poder de la química de clics en aplicaciones biomédicas“, mencionó Weixian Xi, actualmente científico senior de Illumina, quien fue investigador postdoctoral en UCLA durante el estudio. “Este recubrimiento polimérico ‘inteligente’ y ‘cliqueable’ permite proteger los implantes de infecciones bacterianas y posibilita un enfoque personalizado“.

Nuestro recubrimiento se puede personalizar porque puede usar casi cualquier antibiótico”, continuó Segura. “El médico puede elegir el antibiótico en función del lugar del cuerpo en el que se implanta el dispositivo y de los patógenos que son comunes en cualquier parte del mundo en la que se realice la cirugía“.

Desarrollo de pruebas

La rejilla de polímero de química de clic también tiene afinidad por el metal. Las pruebas que involucraron varios tipos de implantes mostraron que el recubrimiento era muy difícil de quitar durante los procedimientos quirúrgicos. Sin embargo, una vez dentro del cuerpo, las condiciones hacen que el polímero se degrade, liberando lentamente los antibióticos en el transcurso de 2 o 3 semanas.

En el estudio, los investigadores probaron rigurosamente el recubrimiento en ratones con implantes de pierna o columna. Después de 20 días, el recubrimiento no inhibió el crecimiento del hueso en el implante y previno el 100% de las infecciones. Este período de tiempo, dicen los investigadores, es lo suficientemente prolongado para evitar que ocurran la gran mayoría de estos tipos de infecciones.

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Los investigadores aún no han probado su revestimiento en animales más grandes. Dado que los animales más grandes, como los humanos, tienen huesos más grandes y requieren de implantes más grandes, hay mucha más superficie para protegerse contra las infecciones bacterianas. Pero los investigadores confían en que su invento está a la altura del reto y planean seguir los pasos necesarios para comercializar el producto.

Creemos que este trabajo transdisciplinario representa el futuro de los implantes quirúrgicos, proporcionando un recubrimiento para el punto de aplicación que transforma el implante de un punto de alerta para la infección en un tratamiento antimicrobiano inteligente“, afirma Bernthal. “Solo necesita tratar a un solo paciente con un implante infectado para darse cuenta de lo transformador que podría ser esto para la atención del paciente, salvando la vida y las extremidades de muchos“.

Esta investigación fue apoyada con financiamiento del Instituto Nacional de Artritis y Enfermedades Musculoesqueléticas y de la Piel de los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos (5K08AR069112-01, T32AR059033).

Referencias

Weixian Xi, Vishal Hegde, Stephen D. Zoller, Howard Y. Park, Christopher M. Hart, Takeru Kondo, Christopher D. Hamad, Yan Hu, Amanda H. Loftin, Daniel O. Johansen, Zachary Burke, Samuel Clarkson, Chad Ishmael , Kellyn Hori, Zeinab Mamouei, Hiroko Okawa, Ichiro Nishimura, Nicholas M. Bernthal y Tatiana Segura; “Point-Of-Care Antimicrobial Coating Protects Orthopaedic Implants From Bacterial Challenge.””El recubrimiento antimicrobiano en el lugar de atención protege los implantes ortopédicos del desafío bacteriano“; Nature Communications; Publicada el 17 de septiembre de 2021. DOI: 10.1038 / s41467-021-25383-z; Disponible en el URL: https://www.nature.com/articles/s41467-021-25383-z

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