Аннотация
Для внедрения новых материалов в практику эндопротезирования необходима разработка способов предотвращения развития имплантат-ассоциированной инфекции, связанной с образованием микробных биоплёнок на поверхности таких имплантатов. Цель работы: разработка методического подхода к оценке биоплёнкообразования S. aureus 25923 ATCC и S.
epidermidis 29887 ATCC на углерод-углеродных композиционных материалах (УУКМ), перспективных для эндопротезирования, и поиск способов предотвращения формирования биоплёнок на этих материалах. Биоплёнкообразование оценивали по
изменению оптической плотности раствора при восстановлении соли тетразолия до формазана, осуществляемом дегидрогеназами живых клеток биоплёнки. Установлено, что на УУКМ за 48 часов формируются биоплёнки стафилококков при
инокуляции этих материалов в питательной среде, причём количество жизнеспособных клеток в биоплёнке стафилококков
на «Углекон-МЯ» достоверно выше, чем на «Углекон-МТ», а электрохимическая обработка этих материалов усиливает
процесс биоплёнкообразования. Разработаны способы предотвращения формирования биоплёнок стафилококков на этих
материалах. Подавление роста биоплёнки Staphylococcus aureus 25923 ATCC и S. epidermidis 29887 ATCC происходит при
предобработке УУКМ 5 мг/мл левофлоксацина в течение 24 ч, воздействие 5 мг/мл левофлоксацина в течение 24 часов
на 48-часовые биоплёнки стафилококков приводит к полному её удалению. Антисептик хлоргексидина биглюконат (0,05%)
оказывает сильный антибактериальный эффект на биоплёнки S. aureus 25923 ATCC и S. epidermidis 29887 ATCC как при
предобработке УУКМ в течение 30 минут, так и при 30-минутном воздействии на 48-часовую биоплёнку S. aureus и S.
epidermidis, выращенную на УУКМ. Кратковременная обработка стерильных УУКМ 0,05% раствором хлоргексидина биглюконата перед их имплантацией значительно снизит вероятность образования биоплёнки стафилококков и дальнейшей
перипротезной инфекции
Annotation
To introduce new materials into the practice of endoprosthetics, it is necessary to develop ways to prevent the development of implantassociated infections associated with the formation of microbial biofilms on the surface of such implants. Objective: development of
a methodological approach to assessing the biofilm formation of S. aureus 25923 ATCC and S. epidermidis 29887 ATCC on carboncarbon composite materials (CCCMs) that are promising for endoprosthetics, and the search for ways to prevent the formation of
biofilms on these materials. Biofilm formation was assessed by the change in the optical density of the solution during the reduction of tetrazolium salt to formazan, carried out by dehydrogenases of living biofilm cells. It has been established that biofilms of staphylococci
are formed on CCCMs within 48 hours when these materials are inoculated in a nutrient medium, and the number of viable cells in the
staphylococcal biofilm on «Uglekon-MYa» is significantly higher than on «Uglekon-MT», and the electrochemical treatment of these
materials enhances the process biofilm formation. Based on the experiments conducted, methods have been developed to prevent the
formation of staphylococcal biofilms on these materials. Suppression of biofilm growth of S. aureus 25923 ATCC and S. epidermidis
29887 ATCC occurs when CCCMs is pretreated with 5 mg/ml levofloxacin for 24 hours, and exposure of 48-hour staphylococcal
biofilms to 5 mg/ml levofloxacin for 24 hours leads to its complete removal. The antiseptic chlorhexidine digluconate (0.05%) has a
strong antibacterial effect on S. aureus 25923 ATCC and S. epidermidis 29887 ATCC biofilms both when pretreated with CCCMs for
30 minutes and after 30 minutes of exposure to a 48-hour staphylococcal biofilm grown on CCCMs. Short-term treatment of sterile
CCCMs with a 0.05% chlorhexidine digluconate before implantation will significantly reduce the likelihood of staphylococcal biofilm
formation and further periprosthetic infection.
Key words: biofilm; staphylococcus; carbon-carbon composite materials; endoprosthetics; periprosthetic infection
Список литературы
ЛИТЕРАТУРА ( П П . 2 , 4 , 5 , 8 , 9 , 1 2 , 1 4 , 1 5 ,
17-20, 25, 26 СМ. REFERENCES)
1. Преображенский П.М., Каземирский А.В., Гончаров М.Ю. Современные взгляды на диагностику и лечение пациентов с перипротезной инфекцией после эндопротезирования коленного сустава.
Гений ортопедии. 2016; 3: 94-10.
3. Мурылев В., Куковенко Г., Елизаров П., Рукин Я., Цыгин Н. Перипротезная инфекция при эндопротезировании тазобедренного
сустава. Врач. 2018; 29(3): 17-22.
6. Джумабеков С.А., Айтназаров Э.Т., Казаков С.К., Болоткан уулу
Н., Кельдибеков Ч.Ж. Бактериологический анализ инфекционных
осложнений эндопротезирования коленного сустава. Вестник
Кыргызско-Российского Славянского университета. 2017; 17(10):
29-31.
7. Ильина Т.С., Романова Ю.М., Гинцбург А.Л. Биопленки как способ существования бактерий в окружающей среде и организме хозяина: феномен, генетический контроль и системы регуляции их
развития. Генетика. 2004; 40(11): 1189-98.
10. Максимова Ю.Г., А.Ю. Максимов, Демаков В.А. Адгезия бактериальных клеток на углеродных носителях: характеристики процесса и применение в биотехнологии. Вестник Пермского федерального исследовательского центра. 2019; 3: 86–93.
11. Бабушкина И.В., Бондаренко А.С., Мамонова И.А., Ульянов В.Ю.
Образование биопленок штаммами стафилококка, выделенными
из различного биологического материала при инфекционных осложнениях тотального эндопротезирования коленного сустава.
Саратовский научно-медицинский журнал. 2019: 15(2): 261-6.
13. Паршиков В.В., Чеботарь И.В., Ходак В.А., Самсонов А.А. Исследование in vitro микробной биоплёнки на поверхности синтетических макропористых эндопротезов для пластики брюшной
стенки. Современная технологическая медицина. 2012; 1. Доступно на: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-in-vitromikrobnoy-bioplenki-na-poverhnosti-sinteticheskih-makroporistyhendoprotezov-dlya-plastiki-bryushnoy-stenki (дата обращения:
22.11.2023).
16. Винклер Т., Трампуш А., Ренц Н., Перка К., Божкова С.А. Классификация и алгоритм диагностики и лечения перипротезной
инфекции тазобедренного сустава. Травматология и ортопедия
России. 2016; (1):33-45.
21. Кузнецова М.В., Кузнецова М.П., Афанасьевская Е.В., Самарцев
В.А. Экспериментальное обоснование использования противоспаечного барьера на основе коллагена в комбинации с биоцидами в
условиях абдоминальной хирургической инфекции. Современные
технологии в медицине. 2018; 10(2): 66-75.
22. Самарцев В.А., Гаврилов В.А., Паршаков А.А., Кузнецова М.В.
Профилактика раневых инфекционных осложнений после герниопластики сетчатыми протезами: экспериментально-клиническое
исследование. Клиническая и экспериментальная хирургия. Журнал им. акад. Б.В. Петровского. 2020; 8(1): 12-21.
23. Золкин П.И., Кавалерский Г.М., Середа А.П., Аберяхимов Х.М.,
Алтуфьев А.В., Бережнова А.А. Углеродный эндопротез тазобедренного сустава. Журнал клинической и экспериментальной ортопедии им. Г.А. Илизарова. 2015; 2: 32-5.
24. Пашкевич Л.А., Мазуренко А.Н., Мохаммади М.Т. Морфологическая характеристика периимплантных тканей при вентральном
спондилодезе позвоночника. Медицинские новости. 2020; 11(314).
Доступно на: https://cyberleninka.ru/article/n/morfologicheskayaharakteristika-periimplantnyh-tkaney-pri-ventralnom-spondilodezepozvonochnika (дата обращения: 22.11.2023).
REFERENCES
1. Preobrazhenskiy P.M., Kazemirskiy A.V., Goncharov M.Yu. Current
views on the diagnosis and treatment of patients with periprosthetic
infection after knee replacement. Geniy ortopedii. 2016; 3: 94-10. (in
Russian)
2. Hamilton T., Palmer A., Kendrick B., Alvand A. Prosthetic joint infection in the hip and knee. Orthopaedics and Trauma. 2023; 37(6):
353-8.
3. Murylev V., Kukovenko G., Elizarov P., Rukin Ya., Cygin N. Periprosthetic infection during hip replacement. Vrach. 2018; 29(3): 17-
22. (in Russian)
4. Alt V. Antimicrobial coated implants in trauma and orthopaedics – A
clinical review and risk-benefit analysis. Injury. Int. J. Care Injured.
2017; 48: 599-607.
5. Malchau K.S., Tillander J., Zaborowska M., Hoffman M., Lasa I.,
Thomsen P., Malchau H., Rolfson O., Trobos M. Biofilm properties in
relation to treatment outcome in patients with first-time periprosthetic
hip or knee joint infection. J. Orthop. Translat. 2021; 30: 31-40.
6. Dzhumabekov S.A., Aytnazarov Je.T., Kazakov S.K., Bolotkan uulu
N., Kel’dibekov Ch.Zh. Bacteriological analysis of infectious complications of knee replacement. Vestnik Kyrgyzsko-Rossiyskogo Slavyanskogo universiteta. 2017; 17(10): 29-31. (in Russian)
7. Il’ina T.S., Romanova Yu.M., Ginzburg A.L. Biofilms as a way of existence of bacteria in the environment and the host organism: phenomenon, genetic control and systems for regulating their development.
Genetika. 2004; 40(11): 1189-98. (in Russian)
8. Al-Amshawee S., Yunus M.Y.B.M., Lynam J.G., Lee W.H., Dai
F., Dakhil I.H. Roughness and wettability of biofilm carriers: A
systematic review. Environ. Technol. Innovation. 2021; 21: 101233.
9. Toté K., Berghe D.V., Deschacht M., de Wit K., Maes L., Cos P. Inhibitory efficacy of various antibiotics on matrix and viable mass of
Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa biofilms. Int. J.
Antimicrob. Agents. 2009; 33(6): 525–31.
10. Maksimova Yu.G., Maksimov A.Yu, Demakov V.A. Adhesion of bacterial cells on carbon carriers: process characteristics and application
in biotechnology. Vestnik Permskogo federal’nogo issledovatel’skogo
tsentra. 2019; 3: 86-93. (in Russian)
11. Babushkina I.V., Bondarenko A.S., Mamonova I.A., Ul’janov V.Ju.
Formation of biofilms by staphylococcus strains isolated from various biological materials during infectious complications of total knee
replacement. Saratovskiy nauchno-meditsinskiy zhurnal. 2019: 15(2):
261-6. (in Russian)
12. Aydinuraz K., Aрalar C., Aрalar F. In vitro S. epidermidis and S. aureus adherence to composite and lightweight polypropylene grafts. J.
Surg. Res. 2009; 157(1): 79-86.
13. Parshikov V.V., Chebotar’ I.V., Hodak V.A., Samsonov A.A. In vitro
study of microbial biofilm on the surface of synthetic macroporous
endoprostheses for abdominal plastic surgery. Sovremennye tekhnologii v meditsine. 2012; 1. Available at: https://cyberleninka.ru/
article/n/issledovanie-in-vitro-mikrobnoy-bioplenki-na-poverhnostisinteticheskih-makroporistyh-endoprotezov-dlya-plastiki-bryushnoystenki (accessed 11.22.2023). (in Russian)
14. Buret A., Ward K.H., Olson M.E., Costerton J.W. An in vivo model to
study the pathobiology of infectious biofilms on biomaterial surfaces.
J. Biomed. Mater. Res. 1991; 25(7): 865-74.
15. Rahardja R., Zhu M., Davis J.S., Manning L., Metcalf S., Young S.W.
Success of debridement, antibiotics, and implant retention in prosthetic joint infection following primary total knee arthroplasty: results
from a prospective multicenter study of 189 cases. J. Arthroplasty.
2023; 38: S399e-S404.
16. Vinkler T., Trampush A., Rents N., Perka K., Bozhkova S.A. Classification and algorithm for diagnosis and treatment of periprosthetic
infection of the hip joint. Travmatologiya i ortopediya Rossii. 2016; (1): 33-45. (in Russian)
17. Alt V., Kirchhof K., Seim F., Hrubesch I., Lips K.S., Mannel H.,
Domannd E., Schnettler R. Rifampicin–fosfomycin coating for cementless endoprostheses: Antimicrobial effects against methicillinsensitive Staphylococcus aureus (MSSA) and methicillin-resistant
Staphylococcus aureus (MRSA). Acta Biomaterialia. 2014; 10: 4518-
24.
18. Alt V., Bitschnau A., Osterling J., Sewing A., Meyer C., Kraus R.,
Meissner S.A., Wenisch S., Domann E., Schnettler R. The effects of
combined gentamicin–hydroxyapatite coating for cementless joint
prostheses on the reduction of infection rates in a rabbit infection prophylaxis model. Biomaterials. 2006; 27: 4627-34.
19. Schulze M., Fobker M., Puetzler J., Hillebrand J., Niemann S., Schulte E., Kurzynski J., Gosheger G., Hasselmann J. Mechanical and microbiological testing concept for activatable anti-infective biopolymer
implant coatings. Biomater. Adv. 2022; 138: 212917.
20. Willigenburg N.W., Yesilkaya F., Rutgers M., Moojen D.J.F., Poolman R.W., Kempen D.H.R. Prosthetic joint infection and wound
leakage after the introduction of intraoperative wound irrigation with
a chlorhexidine-cetrimide solution: a large-scale before-after study.
Arthroplasty Today. 2023; 19: 101053.
21. Kuznetsova M.V., Kuznetsova M.P., Afanas’evskaya E.V., Samartsev
V.A. Experimental substantiation of the use of an anti-adhesion barrier based on collagen in combination with biocides in conditions of
abdominal surgical infection. Sovremennye tekhnologii v meditsine.
2018; 10(2): 66-75. (in Russian)
22. Samartsev V.A., Gavrilov V.A., Parshakov A.A., Kuznetsova M.V.
Prevention of wound infectious complications after hernioplasty
with mesh prostheses: experimental clinical study. Klinicheskaya i
eksperimental`naya khirurgiya. Zhurnal im. akad. B.V. Petrovskogo.
2020; 8(1): 12-21. (in Russian)
23. Zolkin P.I., Kavalerskij G.M., Sereda A.P., Aberjahimov H.M.,
Altuf’ev A.V., Berezhnova A.A. Carbon endoprosthesis of the hip
joint. Zhurnal klinicheskoy i eksperimental’noy ortopedii im. G.A. Ilizarova. 2015; 2: 32-5. (in Russian)
24. Pashkevich L.A., Mazurenko A.N., Mohammadi M.T. Morphological
characteristics of peri-implant tissues during anterior spinal fusion.
Meditsinskie novosti. 2020; 11(314). Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/morfologicheskaya-harakteristika-periimplantnyhtkaney-pri-ventralnom-spondilodeze-pozvonochnika (accessed
22.11.2023). (in Russian)
25. O’Toole, G.A. Microtiter dish biofilm formation assay. J. Vis. Exp.
2011; 47: 2437.
26. Kidon S., Miseon P., Jungwhan