BACKGROUND: Osteomyelitis remains a pressing problem due to its high recurrence rate and risk of serious complications. The situation is exacerbated by increasing antibiotic resistance, which reduces the effectiveness of conventional antibacterial therapy. In this context, the development of novel therapeutic strategies for osteomyelitis, especially in cases accompanied by critical bone loss, is of particular importance.
AIM: The work aimed to test an approach to the treatment of purulent-septic inflammation complicated by bone tissue loss using biocomposite bone implants impregnated with a gel exhibiting multifunctional pharmacological activity, providing local antibacterial, anti-inflammatory, and osteogenic effects. The efficacy of the approach was evaluated in a rat model of experimental osteomyelitis.
METHODS: The research methods included the development of polysaccharide gels with mechanical and rheological properties similar to those of soft tissues (G’ = 176–271 kPa, G’’ = 3.7–4.2 kPa), containing 250 mg/g of dry polymer of amikacin and vancomycin, 0.28 mg/mL of tenoxicam gel, and 12.83 ng/mL of a plasmid encoding bone morphogenetic protein (BMP), thereby ensuring the implants exert local antibacterial and targeted anti-inflammatory effects in combination with stimulation of bone tissue growth. Two types of nanoparticulate carriers of different diameters were introduced into the gel: hyaluronic gel nanoparticles with a bimodal size distribution (d = 100 and 3000 nm) for intracellular delivery of tenoxicam into phagocytic immunocompetent cells, and nanocapsules coated with a transfection agent (d = 50–100 nm) for transmembrane transport of the plasmid into non-phagocytic cells, whose ribosomes synthesize BMP-2, initiating differentiation via the osteogenic pathway. Antibiotics are released from the carrier only in response to bacterial attack on the implant via bacterial enzymes, ensuring a local concentration 200 times higher than the bactericidal threshold. Cytotoxicity, calculated per dry gel, was 1800 µg/mL. The minimum inhibitory concentration against Staphylococcus aureus 209P was 25 µg/mL, and the bactericidal concentration was 100 µg/mL.
RESULTS: Biocomposites impregnated with a drug-containing gel were found to effectively inhibit local bacterial infection, reduce the overall level of local aseptic inflammation, and promote bone regeneration in osteomyelitis.
CONCLUSION: The therapeutic approach to treating purulent-septic inflammation complicated by bone tissue loss using implants with multifunctional pharmacological activity should be regarded as promising.
Обоснование. Остеомиелит остаётся острой проблемой, связанной с высокой частотой рецидивов и риском серьёзных осложнений. Усугубляет ситуацию рост антибиотикорезистентности, снижающей эффективность традиционной антибактериальной терапии. В связи с этим особую актуальность приобретает поиск новых методов лечения остеомиелита, особенно в случаях, сопровождающихся обширной потерей костной ткани.
Цель. Апробировать подход к методике лечения гнойно-септических воспалений, осложнённых потерей костной ткани, с использованием биокомпозитных костных имплантатов, пропитанных гелем, обладающим комплексной лекарственной функцией и обеспечивающим локальное антибактериальное, противовоспалительное и костно-регенеративное действие. Эффективность подхода оценивали на модели экспериментального остеомиелита крыс.
Материалы и методы. Методы исследования включали разработку полисахаридных гелей с механико-реологическими свойствами, близкими к свойствам мягких тканей (G’=176–271 кПа, G”=3,7–4,2 кПа), содержащих амикацин и ванкомицин по 250 мг/г сухого полимера соответственно, теноксикам 0,28 мг/мл геля и плазмиду, кодирующую костный морфогенетический белок (КМБ), 12,83 нг/мл геля, обеспечивающих имплантатам локальное антибактериальное и направленное противовоспалительное действие в сочетании со стимулированием роста костной ткани. В гель вводили два вида нанокорпускулярных носителей разного диаметра: гиалуроновые гелевые наночастицы с бимодальным распределением по размерам d=100 и 3000 нм, обеспечивающие доставку теноксикама внутрь фагоцитирующих иммунокомпетентных клеток, и нанокапсулы, покрытые агентом трансфекции d=50–100 нм, обеспечивающие трансмембранный транспорт плазмиды в нефагоцитирующие клетки, рибосомами которых синтезируется морфогенетический белок КМБ-2, инициирующий дифференциацию клеток по костному пути. Антибиотики высвобождаются из носителя только в момент бактериальной атаки имплантата под действием бактериальных ферментов, обеспечивая локальную концентрацию, в 200 раз превышающую бактерицидную. Цитотоксичность в пересчёте на сухой гель составляет 1800 мкг/мл. Минимальная ингибирующая концентрация против Staphylococcus aureus 209P — 25 мкг/мл, бактерицидная концентрация — 100 мкг/мл.
Результаты. Установлено, что биокомпозиты, пропитанные лекарственным гелем, эффективно ингибируют локальную бактериальную инфекцию, снижают общий уровень локального асептического воспаления и способствуют костной регенерации при остеомиелите.
Заключение. Методический подход к лечению гнойно-септических воспалений, осложнённых потерей костной ткани, с использованием имплантатов с комплексной лекарственной функцией следует считать перспективным.