Modern technologies of early diagnosis of wound infection

Sergey A. Svistunov; Свистунов Сергей Александрович; Alexander A. Kuzin; Кузин Александр Александрович; Denis A. Zharkov; Жарков Денис Александрович; Evgeny V. Lantsov; Ланцов Евгений Владимирович; Sergey A. Morozov; Морозов Сергей Александрович; Irina A. Svistunova; Свистунова Ирина Александровна; Vitaly V. Shkarupa; Шкарупа Виталий Владимирович

doi:10.17816/rmmar622879

Modern technologies of early diagnosis of wound infection

Authors: Svistunov S.A.¹, Kuzin A.A.¹, Zharkov D.A.¹, Lantsov E.V.¹, Morozov S.A.¹, Svistunova I.A.², Shkarupa V.V.³
Affiliations:
1. Military Medical Academy
2. Saint Petersburg State Agrarian University
3. Military Medical Academ
Issue: Vol 43, No 1 (2024)
Pages: 59-68
Section: Reviews
URL: https://journals.eco-vector.com/RMMArep/article/view/622879
DOI: https://doi.org/10.17816/rmmar622879
ID: 622879

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The article presents an analysis of the data of modern literature devoted to the study of early diagnosis of wound infection. It is well known that wound healing is a very complex and dynamic mechanism of wound re-epithelialization. At the same time, the normal microflora of the skin plays an important function for maintaining homeostasis and the formation of the skin. There are about 1000 species of microorganisms belonging to the normal flora of human skin and do not cause any harm to healthy people. At the same time, there are microorganisms that, when they enter the wound, lead to the development of infectious complications of wounds as a result of a violation of the integrity of the skin. They include both gram-positive (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis) and gram-negative bacteria (Escherichia coli, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa, Enterobacter spp., Morganella spp., etc.). Early detection of these microorganisms will contribute to timely and high-quality treatment of wound infection. Currently, there are certain conditions that limit the use of microbiological research methods used to establish a clinical diagnosis of wound infection (long duration, labor intensity, required level of qualification of specialists, etc.). This dictates the need to develop new, fast and easy-to-use methods for diagnosing wound infection. To this end, a group of researchers from Russia (Skolkovo Institute of Science and Technology) and the USA (University of Texas at Austin) have recently developed wearable sensors for the diagnosis of wound infection. These sensors can be embedded in wound dressings and are able to detect certain biomarkers indicating the presence of wound infection. Among these biomarkers, pH and uric acid are the most commonly used, but there are many others (lactic acid, oxygenation, inflammatory mediators, bacterial metabolites or the bacteria themselves). Currently, the development of microelectronics, the emergence of biochemical sensors, active microfluidics and painless microneedles have led to the creation of new generations of wearable biosensors that provide completely new opportunities in the fight against wound infection.

Keywords

biomarkers, diagnostics, microorganisms, research, wearable biosensors, wound infection, wounds

Full Text

АКТУАЛЬНОСТЬ

Инфицирование раны представляет собой серьезное осложнение раневого процесса, оказывает негативное влияние на его течение и заживление ран, снижает качество жизни больных и создает необходимость больших экономических затрат для их диагностики и лечения. Известно, что только в Великобритании у 3–4 % пациентов выявляются инфекционные осложнения ран. При этом уровень летальности от послеоперационных осложнений, связанных с инфицированием раны, составляет более 5 %, а стоимость лечения одного случая — более 6000 евро [1].

Ретроспективное исследование, проведенное в США, показало, что только в 2018 г. от инфицированных или неинфицированных ран пострадали около 8,2 млн человек. Самые высокие затраты были связаны с необходимостью лечения как острого, так и хронического течения раневого процесса. Необходимо отметить, что из-за таких факторов, как старение населения и рост заболеваемости диабетом и ожирением, хроническая раневая инфекция приобретает все большее значение в лечении ран [2].

Доля инфекционных осложнений раневого процесса в России составляет 6,7 %, из которых до 24,2 % приходится на послеоперационные осложнения. До 8 % всех клинических случаев раневой инфекции заканчивается летальным исходом, а стоимость лечения одного случая инфицирования увеличивается [3].

В этом контексте важно диагностировать раневую инфекцию как можно раньше, чтобы обеспечить наиболее эффективный курс лечения для пациента. Используемые в настоящее время методы диагностики раневой инфекции, как правило, заключаются в клиническом осмотре раны, оценке общесоматического статуса и микробиологическом исследовании раневого отделяемого. Несмотря на простоту их использования, эти методы имеют ряд недостатков, таких как необходимость травмирующего снятия повязки, зависимость результата анализа от опыта врача, длительное время проведения лабораторных исследований. Кроме этого, анализ культур, получаемых методом взятия мазка с раневой поверхности, не позволяет идентифицировать бактерии в глубоких слоях раны. Для исследования материалов из глубжележащих слоев раны необходимо выполнять биопсию, что создает необходимость у медицинского персонала получения дополнительных знаний и умений.

Цель исследования — анализ современных средств диагностики раневых инфекций.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Подробно изучены 34 литературных источника 2007–2023 гг. (7 отечественных и 27 зарубежных) по проблеме выявления, профилактики инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи. В работе использованы системный и научный подходы, предполагающие учет эпидемиологических и клинико-патогенетических аспектов диагностики, профилактики и лечения раневой инфекции.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Заживление ран представляет собой сложный, многоступенчатый процесс. На пути патогенных микроорганизмов, попадающих на кожу и внедряющихся в покровные ткани человека, стоит несколько барьеров, основные из которых — это слой безъядерных клеток (роговой слой), местный температурный градиент на границе «покровная ткань — внешняя среда», местные механизмы иммунной защиты, а также физиологический уровень рН и биохимические соединения желез внешней секреции. Фактор раны нивелирует практически все защитные барьеры, создавая «входные ворота» для микроорганизмов. Понимание условий, улучшающих динамику заживления, имеет решающее значение для разработки новых стратегий в лечении ран и профилактики их осложнений [4]. Следуя глобальной тенденции к автоматизации, традиционные методы заживления ран и исследований были усовершенствованы с использованием активной микрофлюидики и технологий «лаборатория на чипе». Эти миниатюрные системы анализа позволяют осуществлять точный пространственный и временной контроль над рядом динамических факторов микросреды (температура, уровень рН), включая биохимические и кислородные градиенты [1, 2, 5–31].

Существующий в настоящее время подход к лабораторной идентификации микроорганизмов, вызывающих раневую инфекцию, методом мазка с поверхности раны основан на том, что инфицирование ран обусловлено несколькими специфичными возбудителями (аэробные и анаэробные микроорганизмы). Однако в большинстве случаев их перечисление не коррелирует с клинической картиной раневой инфекции и не учитывает относительную патогенность изолятов, а также наличие микроорганизмов в ране (потенциально смешивая оппортунистические инфекционные агенты на поверхности кожи с патогенами в ране). Пункционная биопсия частично устраняет эти проблемы, но она инвазивна, болезненна для пациента, требует много времени для рутинного мониторинга и может привести к распространению инфекции. Культуральный метод позволяет определить конкретный вид возбудителя с дальнейшим определением чувствительности его к антибактериальным препаратам. Однако, когда большинство инфекций изначально полимикробные, представленный аргумент теряет свою актуальность. Кроме того, возбудителями часто являются анаэробные бактерии, которые, как известно, трудно культивировать in vitro, поэтому их часто упускают из виду, несмотря на их значительный вклад в микробную биомассу и патогенность. Микробиологический метод также недооценивает вклад трудно поддающихся культивированию микроорганизмов, которые часто ассоциируются с биопленкой. Следовательно, микробиологический посев на практике дает лишь те прогностические результаты, которые возможно интерпретировать при манифестации инфекции (и когда очевиден превалирующий вид возбудителя). Поэтому посев зачастую дает предварительное подтверждение и редко позволяет определить четкую причинно-следственную связь в диагностике раневой инфекции (между клинической картиной и видом возбудителя). Необходимо также учитывать, что для получения чистой культуры может потребоваться несколько дней, в течение которых уже начинается антибиотикопрофилактика (до получения первых результатов микробиологических исследований). При ранних локальных полимикробных инфекциях без данных о доминирующем патогене лечение начинается с применения противомикробных препаратов широкого спектра действия.

Диагностика на основе полимеразной цепной реакции (ПЦР) и смешанных праймерных панелей обладает потенциалом для идентификации и количественного определения микроорганизмов с хорошей чувствительностью. В идеальных случаях ПЦР может также обнаруживать гены устойчивости микроорганизмов к антибактериальным препаратам, что позволяет обосновать предположения о наиболее вероятных патогенах и штаммах. Хотя теоретически было бы возможно создать диагностические тест-системы для большинства организмов и штаммов, обычно обнаруживаемых в ранах, более практичным остается использование определенных праймерных панелей для гипотетической идентификации присутствующих патогенов. Секвенирование и ПЦР позволяют избежать предвзятости в отношении анаэробов и «привередливых» микроорганизмов, наблюдаемых при методах культивирования, и обеспечивают более реалистичные показатели микробного разнообразия в раневом содержимом. Тем не менее они требуют больших ресурсов, и их использование по-прежнему оправданно только при наличии явных случаев заражения раневой инфекцией. Установление таких случаев при сложных, трудно заживающих ранах остается ключевой проблемой профилактики и лечения раневой инфекции. Преимущества этих методов, к сожалению, имеют несколько недостатков. Эти системы требуют чистых образцов и могут быть подвержены влиянию ДНК пациента (которая может значительно превышать количество микроорганизмов в образцах раневого содержимого). Они не могут отличить жизнеспособные патогены от нежизнеспособных и требуют дорогостоящего оборудования, которое имеется только в лабораториях крупных лечебно-профилактических организаций. Кроме того, базы данных генетических последовательностей часто смещены в сторону патогенных микроорганизмов, что приводит к значительной недооценке истинного видового разнообразия в ране. Внедрение этих методов в практику является ограниченным, они используются не столько для мониторинга или рутинного скрининга, сколько в качестве инструмента исследования при клинически очевидном течении раневой инфекции. Таким образом, роль ПЦР в настоящее время скорее подтверждающая, чем прогностическая.

В будущем молекулярные методы для выявления инфекции станут более доступными, их подтверждающая роль будет иметь решающее значение в диагностике инфекционных осложнений. Однако для того, чтобы сделать это возможным или использовать в рутинных скринингах для выявления инфекции на ранних стадиях развития, потребуются дальнейшее технологическое усовершенствование и автоматизация процесса идентификации микроорганизмов, позволяющих сократить трудозатраты и время на выполнение исследований [13].

Альтернативным, развивающимся подходом к диагностике раневой инфекции является измерение концентрации различных маркеров системной воспалительной реакции, свидетельствующих о развитии генерализованного инфекционного процесса. В настоящее время к таким биомаркерам можно отнести С-реактивный белок, прокальцитонин и другие гематологические маркеры, а совсем недавно было предложено контролировать высвобождение липокалина из стимулированных нейтрофилов цельной крови (Venge P. et al., 2019). Все эти маркеры обычно измеряются в образцах крови или плазмы и отражают состояние системного воспаления. Выявление биомаркеров в крови на фоне местных проявлений раневой инфекции может указывать на развивающееся системное воспаление и необходимость коррекции антибиотикотерапии. В то же время необходимо отметить, что на ранних стадиях развития раневого процесса диагностическое значение данных маркеров не столь очевидно, поскольку их концентрация в плазме крови незначительна и не происходит активации значительного системного ответа. Таким образом, отбор проб из самой раны, вероятно, дает большую возможность дифференциации микроорганизмов на ранних стадиях течения раневого процесса [25–29].

Альтернативным, неинвазивным подходом является визуализация, либо термическая, либо ультрафиолетовая. Мультиспектральный анализ позволяет отслеживать размер, общие биохимические маркеры воспаления и флуоресцентные метаболиты микроорганизмов, находящихся в ране. Визуализация основана на мощных фтор- и хромофорах, вырабатываемых инфицирующими микроорганизмами. К ним относятся порфирины и пиоцианины, которые можно отличить по аутофлуоресценции. Хотя флуоресценция способна обнаруживать большое разнообразие раневых бактерий, продуцирующих порфирин (красная флуоресценция), и пиоцианин, в свою очередь продуцирующий Pseudomonas aeruginosae (голубая флуоресценция), однако определение многих из них зависит от квалификации специалиста, проводящего исследование. Этот подход может принести значительную пользу при обнаружении очага инфицирования в ране для проведения санации и эффективного удаления бионагрузки/биопленки, но он не обязательно выявляет зарождающуюся инфекцию. Расширение такого подхода заключается в окрашивании раны с использованием реагентов, которые специфически связаны компонентами биопленки, например использование красителей для окрашивания зубного налета и биопленки в ранах. Несмотря на простоту, эти подходы служат цели обнаружения бионагрузок/биопленок, для проведения последующей санации очага инфекции. Такие достижения в технологиях и устройствах обнаружения микробов подчеркивают важность и прогресс, достигнутый в данной области на современном этапе. С точки зрения идеальных клинических требований соответствующие устройства должны быть неинвазивными и простыми в использовании, выявлять любые потенциальные очаги инфекции (включая биопленку), быть достаточно чувствительными для обнаружения на начальных стадиях (ранних, неочевидных) инфекций и обеспечивать немедленные результаты визуализации микробного загрязнения, которые помогут практикующему врачу оценить эффективность проводимых лечебных мероприятий. Хотя не все эти критерии в настоящее время соблюдены, прогресс очевиден и новые подходы продолжают развиваться, включая технологию обнаружения возбудителей инфекционных осложнений в ране [19, 20, 22, 23].

На сегодняшний день на мировом рынке представлены различные торговые марки оптико-электронных решений. Так, на индийском внутреннем рынке представлено инновационное устройство для визуализации ILLUMINATE® компании Adiuvo Diagnostics, которое может выдавать мультиспектральные изображения аутофлуоресценции. Используя алгоритмы машинного обучения на полученных изображениях, эта технология может помочь в визуализации очагов раневой инфекции (рис. 1). Производителем заявлено, что устройство предназначено для продажи только в Индии.

Рис. 1. Устройство ILLUMINATE® индийской компании Adiuvo Diagnostics

Fig. 1. ILLUMINATE® device from Indian company Adiuvo Diagnostics

В линейке канадской компании MolecuLight Inc. имеются два портативных решения: MolecuLight i:X® и MolecuLight DX™ (рис. 2–5), активно применяемых на американском рынке. Оба этих устройства позволяют в режиме реального времени определить размер контактной/интактной поверхности раны и уровень контаминации ран микроорганизмами с помощью флуоресцентной визуализации. Основными преимущественными изменениями в усовершенствованной модели DX являются новые технологические решения (увеличен объем памяти, размер экрана, качество камеры).

Рис. 2. Устройство MolecuLight i:X® канадской компании MolecuLight Inc.

Fig. 2. MolecuLight i:X® device from the Canadian company MolecuLight Inc

Рис. 3. Устройство MolecuLight DX™ той же компании способно обнаружить большинство видов бактерий, продуцирующих пор- фирин, при повышенной бактериальной нагрузке (>104 КОЕ/гр)

Fig. 3. The company’s MolecuLight DX™ device is capable of detecting most pore firin-producing bacteria at elevated bacterial loads (>104 CFU/g)

Рис. 4. Фото раны стопы. Красная флюоресценция (стрелки) указывает на наличие и локацию колоний бактерий

Fig. 4. Photo of a foot wound. Red fluorescence (arrow) indicate the presence and location of bacterial colonies

Рис. 5. Фото раны. Голубая флюоресценция (стрелки) указывает на наличие синегнойной палочки

Fig. 5. Photo of the wound. Blue fluorescence (arrow) indicates the presence of Pseudomonas aeruginosa

Следующим альтернативным методом диагностики является обнаружение определенных биомаркеров раневой инфекции. Чтобы повысить комфорт пациента и исключить травматичный и болезненный процесс снятия повязки, идеальным способом мониторинга биомаркеров на сегодняшний день представляется использование носимых датчиков биомаркеров инфекции, встроенных в раневые повязки. В 2021 г. в научно-популярном журнале Scientific American ^*[*] были опубликованы данные о разработке одного из вариантов таких датчиков, основанного на распознавании ДНК, продуцируемую микроорганизмами в ране и разрушающую т. н. ДНК-гидрогель, находящийся на чипе. Однако на сегодняшний день ни один из разработанных датчиков клинически не реализован в широких масштабах. Разработка носимых устройств сталкивается с многочисленными проблемами в отношении используемых материалов, источников энергии и передачи данных. Используемые материалы должны быть биосовместимыми и адаптированными таким образом, чтобы они могли соответствовать неровностям поверхности кожи. Кроме того, они должны быть гибкими и устойчивыми, чтобы обеспечить свободное передвижение пользователя. Многочисленные проблемы также возникают при разработке подходящих и безопасных способов беспроводной связи между датчиком и визуализирующими устройствами, такими как ноутбуки и смартфоны. В настоящее время они реализуются с использованием технологий Bluetooth, NFC и радиочастотной идентификацией. Несмотря на все эти проблемы, разработка носимых датчиков является перспективным направлением в области диагностики, лечения и профилактики раневой инфекции. Активное их внедрение в медицинскую практику может обеспечить многочисленные преимущества как для пациента (уменьшение травматизации вследствие неоднократного снятия повязок), так и для медицинского персонала (возможность визуализации состояния раны через протоколы беспроводной передачи данных) [1, 2, 11–14, 19–30].

Еще одним перспективным направлением сегодня является сочетание диагностических и лечебных стратегий в одной и той же «умной повязке». Раневые повязки, которые высвобождают лекарство в зависимости от концентрации биомаркеров, присутствующих в раневой среде, представляют большой интерес из-за их способности доставлять вещество точно в нужное время. Несколько десятилетий назад микроиглы были впервые введены для трансдермальной доставки лекарств. Вместо игл для подкожных инъекций, которыми берут кровь для медицинского тестирования, трансдермальные биосенсоры на основе микроигл используют минимально инвазивный способ отбора проб для мониторинга необходимого количества вводимых терапевтических препаратов. Использование мониторинга имеет большое значение для повышения терапевтической эффективности (оптимизации дозировки препарата) и прогнозирования любого неблагоприятного исхода (антибиотикорезистентность). Для контролируемой доставки содержимого лекарственного средства Lau S. et al. разработали многослойный пирамидальный растворяющийся пластырь с гибкими подставками [20]. Время и скорость высвобождения лекарственного средства регулируется в нем скоростью растворения различных биоматериалов в области раны. Например, быстрое растворение одного из многослойных слоев пластыря может быстро контролировать воспаление и непрерывно лечить хроническое воспаление посредством устойчивого поступления лекарственного препарата (Ryan Donnelly et al.).

Gowers A. et al. разработали биосенсор, способный отслеживать концентрацию антибиотиков в режиме реального времени, что в дальнейшем может привести к персонализированной дозировке препарата и является важным шагом на пути к таргетной медицине в лечении раневой инфекции [32]. Но эти биосенсоры также находятся на ранней стадии разработки. Серьезной проблемой их применения по-прежнему остается необходимость разработки надежных источников электропитания [33, 34].

Активно разрабатываемые в настоящее время методы визуализации инфицирования ран позволяют проводить диагностику в режиме реального времени. Из зарубежных источников известно, что в клинической практике данные методы чаще используются при лечении хронических, трудно поддающихся лечению ран. В то же время они могут использоваться для определения необходимого объема проведения предстоящей хирургической обработки ран (например, в военной медицине). Регистрация снижения количества микробных очагов в ране позволит в динамике определить темпы заживления ран. Данное направление совместно с разрабатываемыми методами «точечной» доставки антибактериальных средств является перспективным с точки зрения качества оказания медицинской помощи при лечении инфицированных ран.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вышеупомянутые технологии закладывают основы для нового поколения носимых биосенсоров, используемых для диагностики раневой инфекции на коже и на раневых поверхностях. Очевидно, что они предлагают новые возможности для дифференциальной диагностики раневой инфекции и ориентировочного направления для выбора дальнейшей лечебной тактики. Отличительные характеристики появляющихся носимых биосенсоров (легкий вес, гибкость и портативность) обеспечивают возможность их использования при оказании специализированной медицинской помощи. Вместе с тем, несмотря на значительный прогресс, достигнутый за последние годы, сохраняются серьезные проблемы интерпретации полученных данных и стоимости массового изготовления изделий. С преодолением этих проблем широкое внедрение носимых биосенсоров может в значительной степени способствовать решению проблем диагностики, визуализации инфекционного процесса в ране, профилактики и лечения раневой инфекции.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Вклад каждого автора: С.А. Свистунов — написание текста; А.А. Кузин — концепция и дизайн исследования; Д.А. Жарков — сбор и обработка данных; Е.В. Ланцов — написание текста, обзор литературы; С.А. Морозов — поиск и подготовка иностранных разработок; И.А. Свистунова — работа с иностранными источниками, перевод; В.В. Шкарупа — сбор и обработка материала.

Источник финансирования. Финансирование данной работы не проводилось.

Этическая экспертиза. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей и животных в качестве объектов изучения.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

[*] Гелевый сенсор мониторит раневые инфекции [электронный ресурс] Российский микробиологический портал. URL: https://www.scientificamerican.com/article/gel-based-sensor-continuously-monitors-wounds-for-infection/ (дата обращения: 14.09.2023)

About the authors