Après avoir mélangé des polymères auto-assemblants avec des antibiotiques, le revêtement anti-infectieuse est pulvérisé sur des implants intramédullaires de hanche humains avec un simple flacon de parfum. Crédit : Laboratoire Segura et Laboratoire Bertha
Personnalisable pour chaque patient et nécessitant moins de 10 minutes de préparation et d’utilisation, le nouveau revêtement d’implant chirurgical a empêché 100 % des infections chez les souris.
Les ingénieurs biomédicaux et les chirurgiens de l’Université Duke et de l’UCLA ont démontré un revêtement antibiotique pouvant être appliqué sur les implants orthopédiques quelques minutes avant la chirurgie, ce qui élimine les risques d’infection autour de l’implant.
Dans les premiers essais chez la souris, le revêtement a empêché toutes les infections ultérieures, même sans perfusions d’antibiotiques dans la circulation sanguine, ce qui est la norme de soins actuelle. Après 20 jours, le revêtement n’a pas réduit la capacité de l’os à fusionner avec l’implant et a été complètement absorbé par le corps.
L’antibiotique rifampine mélangé à une solution auto-assemblante de polymères est appliqué sur des implants de hanche intramédullaires humains. Les premiers essais chez la souris ont montré qu’après 20 jours, l’approche n’affectait pas la capacité de l’os à fusionner avec l’implant, le polymère était complètement absorbé par le corps et les antibiotiques prévenaient 100 % des infections. Crédit : Laboratoire Segura et Laboratoire Bertha
Les résultats ont été publiés le 16 septembre 2021 dans la revue Communication Nature.
Le projet a commencé lorsque Tatiana Segura, professeur de génie biomédical à Duke, a rencontré Nicholas Bernthal, président par intérim et directeur médical exécutif de la David Geffen School of Medicine de l’UCLA, spécialisé en oncologie et chirurgie orthopédiques pédiatriques. Il a déclaré à Segura que de nombreux enfants traités pour un cancer des os se voient retirer de grandes portions d’os, ce qui nécessite ensuite des implants orthopédiques. Mais comme les patients subissent généralement également une chimiothérapie, leur système immunitaire est faible et ils sont particulièrement vulnérables aux bactéries colonisant la surface de l’implant.
“Ces enfants sont confrontés au choix de subir une chimiothérapie plutôt que de sauver leur membre ou même parfois d’avoir besoin d’amputations pour survivre, ce qui me semble horrible”, a déclaré Segura. « Tout ce dont ils ont vraiment besoin, c’est de quelque chose à frotter sur l’implant pour empêcher une infection de s’installer, car il est beaucoup plus facile de prévenir une infection que de la traiter. Nous avons donc mis au point cette technologie de revêtement qui, nous l’espérons, apportera une solution.
Cependant, les infections implantaires ne sont pas propres aux enfants ou aux patients atteints de cancer. Pour les chirurgies de remplacement articulaire, par exemple, l’infection survient dans 1 % des chirurgies primaires et jusqu’à 7 % des chirurgies de révision, ce qui nécessite des chirurgies de révision répétées et des antibiotiques intraveineux prolongés. Le traitement ne fonctionne pas toujours, cependant, car ces patients ont un risque de mortalité sur cinq ans plus élevé que ceux diagnostiqués avec le VIH/SIDA ou le cancer du sein. On estime que les infections par implants coûtent au système de santé plus de 8,6 milliards de dollars par an rien qu’aux États-Unis.
Une partie du défi du traitement de ces infections est que les bactéries colonisent la surface des implants eux-mêmes. Cela signifie qu’il n’y a pas de vaisseaux sanguins circulant à travers les colonies bactériennes pour délivrer les antibiotiques circulant dans les veines d’un patient. Le seul recours est souvent le retrait de l’implant d’origine, qui est généralement le meilleur de ce qui ne sont que de mauvaises options.
Certains médecins ont adopté leurs propres solutions, telles que l’utilisation de poudre antibiotique lors de la fermeture de la plaie chirurgicale ou la perfusion d’antibiotiques dans le ciment osseux utilisé pour maintenir l’implant en place. Aucune de ces tactiques n’a été prouvée cliniquement efficace. Les fabricants d’implants ont également la possibilité d’ajouter des propriétés antibiotiques à leurs dispositifs. Mais cela réduirait considérablement la durée de conservation du produit et nécessiterait également un processus long et compliqué d’approbation de la FDA, puisque les implants seraient alors dans une nouvelle classification.
Le nouveau revêtement antibiotique de Segura évite tous ces défis.
Le mélange de polymères auto-assemblants et d’antibiotiques est polymérisé sur des implants de hanche intramédullaires humains à l’aide d’une source lumineuse portable. Crédit : Laboratoire Segura et Laboratoire Bertha
« Nous avons montré qu’un revêtement libérant des antibiotiques au point de service protège les implants contre les attaques bactériennes et peut être appliqué rapidement et en toute sécurité dans la salle d’opération sans qu’il soit nécessaire de modifier les implants existants », a déclaré Christopher Hart, médecin résident. en chirurgie orthopédique de l’UCLA qui a aidé à mener les expériences.
Le nouveau revêtement antimicrobien est composé de deux polymères, l’un qui repousse l’eau et l’autre qui se mélange bien à l’eau. Les deux sont combinés dans une solution avec un antibiotique au choix du médecin, puis appliqués directement sur l’implant orthopédique par trempage, peinture ou pulvérisation. Lorsqu’ils sont exposés à une lumière ultraviolette brillante, les deux polymères se couplent et s’auto-assemblent en une structure en forme de grille qui piège les antibiotiques.
La réaction est un exemple de « chimie du clic », qui est une manière générale de décrire des réactions qui se produisent rapidement à température ambiante, ne produisent qu’un seul produit de réaction, ont un rendement extrêmement élevé et se produisent dans un seul conteneur.
“Cette étude est un excellent exemple de la puissance de la chimie des clics dans les applications biomédicales”, a déclaré Weixian Xi, maintenant scientifique principal chez Illumina et chercheur postdoctoral à l’UCLA pendant l’étude. « Ce revêtement polymère « intelligent » et « cliquable » permet de protéger les implants contre les infections bactériennes et rend possible une approche personnalisée. »
“Notre revêtement peut être personnalisable car il peut utiliser presque n’importe quel antibiotique”, a poursuivi Segura. « L’antibiotique peut être choisi par le médecin en fonction de l’endroit où le dispositif est implanté dans le corps et des agents pathogènes courants dans la partie du monde où la chirurgie a lieu. »
La grille polymère click chemistry a également une affinité pour le métal. Des tests impliquant différents types d’implants ont montré que le revêtement était très difficile à enlever lors des interventions chirurgicales. Une fois à l’intérieur du corps, cependant, les conditions provoquent la dégradation du polymère, libérant lentement les antibiotiques au cours de deux à trois semaines.
Dans l’étude, les chercheurs ont rigoureusement testé le revêtement sur des souris avec des implants de jambe ou de colonne vertébrale. Après 20 jours, le revêtement n’a pas inhibé la croissance de l’os dans l’implant et a empêché 100 % des infections. Selon les chercheurs, cette période est suffisamment longue pour empêcher la grande majorité de ces types d’infections de se produire.
Les chercheurs n’ont pas encore testé leur revêtement sur des animaux plus gros. Étant donné que les animaux plus gros, comme les humains, ont des os plus gros et ont besoin d’implants plus gros, il y a beaucoup plus de surface à protéger contre les infections bactériennes. Mais les chercheurs sont convaincus que leur invention est à la hauteur de la tâche et prévoient de poursuivre les étapes nécessaires à la commercialisation du produit.
“Nous pensons que ce travail transdisciplinaire représente l’avenir des implants chirurgicaux, fournissant un revêtement de point d’application qui transforme l’implant d’un point chaud pour l’infection en un traitement antimicrobien “intelligent””, a déclaré Bernthal. « Il suffit de traiter un seul patient avec un implant infecté pour réaliser à quel point cela pourrait être transformationnel pour les soins aux patients, sauvant à la fois la vie et des membres pour beaucoup. »
Référence : « Le revêtement antimicrobien au point de service protège les implants orthopédiques contre les défis bactériens » par 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 et Tatiana Segura, 16 septembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-25383-z
Cette recherche a été soutenue par le National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases des National Institutes of Health (5K08AR069112-01, T32AR059033).
