Результаты изучения адгезии микроорганизмов к титановым пластинам, используемым при остеосинтезе костей лицевого скелета, в эксперименте

В настоящее время во всем мире прослеживается постоянный рост общего травматизма, в связи с чем также имеется тенденция и к росту числа травм челюстно-лицевой области (ЧЛО). До сих пор «золотым стандартом» при лечении переломов костей ЧЛО является остеосинтез отломков костей титановыми минипластинами и винтами. Однако ввиду особенностей травм ЧЛО частота развития гнойно-воспалительных осложнений в послеоперационном периоде не имеет тенденции к снижению. Предупреждение осложнений особенно актуально, так как больные с этой нозологией составляют 40—50% среди пациентов челюстно-лицевых стационаров. Первым и важнейшим местным фактором возникновения осложнений является способность микроорганизмов к адгезии на установленные титановые пластины. Использование биоинертного биорезистентного покрытия титановых минипластин, нанесенном методом ионно-плазменного напыления при хирургическом лечении травм костей ЧЛО, должно обеспечить снижение рисков развития послеоперационных осложнений.

Цель исследования — сравнительная оценка способности микроорганизмов к адгезии и колонизации образцов титановых минипластин с ионно-плазменным покрытием и без него.

Моделирование остаточной адгезии в эксперименте in vitro. Основу экспериментального исследования составили современные представления о микробной адгезии как первом и важнейшем этапе микробной колонизации абиотических поверхностей, в том числе конструкционных материалов, используемых в современной ортопедии [1]. Следующим этапом является колонизация с формированием микробной биопленки, которая ведет к развитию воспаления тканей, с одной стороны, и деструкции использованного ортопедического материала, — с другой [2].

Эксперимент выполняли с образцами стандартных титановых пластин с ионно-плазменным защитным покрытием, разработанным на базе АО «НИИВТ им. С.А. Векшинского». В эксперименте выполнены две серии работ in vitro для пластин с покрытием (основная группа) и без него (контрольная группа).

Учитывая вероятную роль микроорганизмов разных групп в развитии осложнений инфекционно-воспалительной природы после ортопедических операций на суставах и костях [3], мы использовали в экспериментах in vitro чистые тест-культуры бактерий следующих групп и видов:

1. Аэробные и факультативно-анаэробные патогены: Klebsiella pneumonia, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, дрожжевые грибы Candida albicans.

2. Неспорообразующие (неклостридиальные) облигатно-анаэробные патогены: Peptostreptococcus anaerobius, Parvimonas micra, Prevotella melaninogenica.

Тест-штаммы предоставлены из коллекции кафедры микробиологии, вирусологии, иммунологии МГМСУ им. А.И. Евдокимова. Все образцы являлись штаммами бактерий, вызывающими гнойно-воспалительные заболевания в челюстно-лицевой хирургии.

Для проведения экспериментов использовали модифицированную стандартную методику определения остаточной адгезии [4]. Образцы помещали в 10 мл взвеси тест-культуры микроорганизма концентрации 10⁷ КОЕ/мл изотонического раствора хлорида натрия и инкубировали в течение 40 мин при температуре 37 °C, учитывая необходимые условия для обеспечения жизнеспособности микроорганизмов различных видов.

Механически осевшие микробные клетки, которые не вступили в процесс адгезии, удаляли с помощью ультразвуковой ванночки Ultra-Est («Геософт», Россия) в течение 5 мин. После этого раствор сливали, а образцы с микробными клетками, вступившими в процесс адгезии, трижды прикладывали к поверхности питательной среды. Таким образом, микробные клетки прилипали к питательной среде и давали рост изолированных колоний, что позволяет определить остаточную адгезию.

Питательной средой служил 5%-ный кровяной агар с добавлением гемина (5 мкг/мл) и менадиона (0,1 мкг/мл). Для количественной оценки остаточной адгезии среду с посевами-отпечатками помещали в анаэростаты с бескислородной газовой смесью с дальнейшим использованием палладиевого катализатора для редуцирования кислорода. Индекс остаточной адгезии рассчитывали и переводили в процентный показатель [3] по формуле:

Iао=lgA/lgN∙100%,

где Iао — индекс остаточной адгезии; lgA — число прилипших бактерий, выраженных через десятичный логарифм(КОЕ/мл); lgN — количество бактерий исходной взвеси, наносимой на стандартный образец, выраженное через десятичный логарифм (КОЕ/мл).

Для статистической обработки полученных данных использован программный пакет Biostat 9.0. Использовали критерий Манна—Уитни с учетом средней величины, ошибки и количества наблюдений (различия статистически значимы при p<0,05).

Результаты изучения остаточной адгезии штаммов аэробных и факультативно-анаэробных патогенов к образцам титанового сплава с защитным покрытием. При исследовании адгезии к образцам титанового сплава штаммов бактерий условно-патогенной группы, относящихся к видам K. pneumonia и E. faecium, установлено, что в контрольной серии экспериментов (образцы без защитного покрытия) индексы остаточной адгезии находились на среднем уровне: процентный показатель остаточной адгезии составлял 45,3±8,4 и 36,7±6,4% для K. pneumonia и E. faecium соответственно. Таким образом, 45,3 и 36,7% бактериальных клеток из нанесенной на образцы взвеси вступали в процесс адгезии и хорошо прилипали к образцам сплава.

В то же время в опытной серии экспериментов (образцы с защитным покрытием) процентные показатели остаточной адгезии были статистически значимо ниже в 2 и 3 раза для K. pneumonia и E. faecium соответственно (табл. 1). На образцах с защитным покрытием сохранялось лишь соответственно 23% и 11,8% бактериальных клеток от нанесенной взвеси.

Таблица 1. Остаточная адгезия штаммов аэробных и факультативно-анаэробных патогенов к титановому сплаву с защитным покрытием, %

Примечание. * — статистически значимые различия между сравниваемыми сериями образцов (p≤0,05).

Staphylococcus aureus характеризовался высоким уровнем адгезии на образцах как без покрытия, так и с покрытием (69,7±8,2 и 76,0±9,7% соответственно, различия статистически незначимы).

Высокий уровень адгезии отмечен также в экспериментах с дрожжевыми грибами Candida albicans, процентный показатель остаточной адгезии которых составил 61,5±6,9% в контроле, но снижался почти в 2 раза на образцах с защитным покрытием: 33,5±4,8% (p<0,05).

Таким образом, все различия индексов остаточной адгезии штаммов аэробных и факультативно-анаэробных патогенов, за исключением S/s aureus были статистически значимыми. Несмотря на отмеченную общую закономерность адгезия отдельных видов, судя по представленным данным, несколько различалась. Наиболее высокий уровень адгезии установлен у S. aureus и C. albicans, однако у грибов он существенно понижался в случае использования образцов сплава с защитным покрытием.

Следует отметить, что низкий уровень адгезии, который наблюдался при использовании сплава с защитным покрытием, является весьма перспективным с практической точки зрения, так как указанные возбудители представляют серьезную опасность в плане возможного развития гнойно-воспалительных осложнений и отторжения имплантатов, а снижение адгезии является благоприятным фактором, который снижает микробную нагрузку в послеоперационном периоде [3, 5].

Результаты изучения адгезии штаммов облигатно-анаэробных патогенов к образцам титанового сплава с защитным покрытием. При исследовании адгезии в контрольной серии экспериментов к образцам титанового сплава (образцы без электретного покрытия) штаммов облигатно-анаэробных бактерий, относящихся к видам P. anaerobius, F. necroforum, P. melaninogenica процентные показатели остаточной адгезии были на умеренном уровне и составляли от 55,7±13,2 до 61,5±12,4%. Напротив, в опытной серии экспериментов (образцы с защитным покрытием) со всеми взятыми штаммами наблюдалось статистически значимое снижение показателей адгезии, т.е. процентные показатели остаточной адгезии находились на низком уровне: для P. anaerobius — 36,3±10,4%, для F. necroforum — 11,4±9,5%, для P. melaninogenica — 25,8±9,1%. Выявленное нами снижение процентных показателей остаточной адгезии при использовании защитного покрытия было довольно значительным: в 1,5, в 5 и в 2 раза соответственно (табл. 2).

Таблица 2. Остаточная адгезия штаммов облигатно-анаэробных бактерий к титановому сплаву с защитным покрытием, %

Примечание. * — статистически значимые различия между сравниваемыми сериями образцов (p≤0,05).

Таким образом, все различия индексов остаточной адгезии штаммов облигатно-анаэробных патогенов были статистически значимы. Несмотря на отмеченную общую закономерность, адгезия отдельных облигатно-анаэробных видов, как и аэробных, несколько различалась. Наиболее высокую адгезивную активность по отношению к титановому сплаву проявил анаэробный грамположительный микроб P. anaerobius, который отличается мелкими размерами от F. necroforum и P. melaninogenica. Полученные результаты объясняются малыми размерами этого микроорганизма и более сложными механизмами адгезии (наличие пилей, адгезинов), а также коаггрегацией с другими бактериями [5].

При исследовании адгезии P. melaninogenica и F. necroforum индекс остаточной адгезии был в 2 и 5 раз ниже для экспериментальных образцов. Эти микроорганизмы способны вызывать воспалительную реакцию, что приводит к развитию переимплантита с последующей потерей имплантата [6].

Подводя итоги, следует отметить, что чем меньше микроорганизмы способны к адгезии и колонизации материала имплантата, тем меньше вероятность развития периимплантита. Наличие статистически значимых различий между процентными показателями остаточной адгезии штаммов облигатно-анаэробных бактерий к титановому сплаву с защитным покрытием доказывает целесообразность применения покрытия, нанесенного методом ионно-плазменного напыления для профилактики осложнений. Следует также учитывать, что внутрикостная часть имплантата практически не способна контактировать с микробной экологической средой организма. Контакт с бактериями возможен, главным образом, в момент установки имплантата.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interests.