University of Groningen
Evaluation of nano-antimicrobial coated biomaterials in advanced in vitro co-culture models Ren, Xiaoxiang
DOI:
10.33612/diss.145072016
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2020
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Ren, X. (2020). Evaluation of nano-antimicrobial coated biomaterials in advanced in vitro co-culture models. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.145072016
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Samenvatting
141
Biomateriaal-geassocieerde infecties (BAI) zijn de meeste voorkomende oorzaak van het falen van implantaten en kunnen vele jaren na implantatie ontstaan, wat de functionaliteit en levensduur van het implantaat in gevaar brengt. Daarom is het belangrijk om nieuwe antimicrobiële biomaterialen en coatings te ontwikkelen zodat oppervlakken minder vatbaar voor BAI zijn. Deze moeten getest worden in geschikte
in vitro modellen.
Hoofdstuk 1 bespreekt de behoefte aan modellen waarin co-culturen van bacteriën
en weefsel cellen gelijktijdig onderzocht kunnen worden voor de ontwikkeling van nieuwe antimicrobiële biomaterialen en coatings. Het geeft een overzicht van beschikbare bacterie- en weefselcel culturen in 2D- en 3D-systemen en hun kritische factoren en bruikbare uitkomstparameters in een vraag- en antwoordstijl. Weefselcellen moeten altijd hechten aan en integreren met het oppervlak van interne implantaten om het implantaat te beschermen tegen bacteriële infecties. Zoals beschreven door Gristina, is langdurig functioneren van interne implantaten in relatie tot de ontwikkeling van BAI een "race om het oppervlak" tussen bacteriën en weefselcellen. De juiste dosering van antimicrobiële activiteit vereist een balans tussen het doden van bacteriën en het voorkomen van weefselschade. Traditionele monoculturen vertellen slechts een klein deel van het verhaal en beoordelen alleen de prestaties van weefselcellen of bacteriën op het aangepaste biomateriaal. Daarom was het doel van dit proefschrift om nieuwe nano-antimicrobiële biomateriaalcoatings te ontwikkelen en te evalueren in geavanceerde co-culturen.
De afdichting van zacht weefsel rond tandheelkundige implantaten beschermt de osseo-geïntegreerde schroef tegen bacteriële infecties. Er is op dit moment geen geschikt in vitro model dat de zacht weefsel afdichting rond tandheelkundige implantaten nabootst. In Hoofdstuk 2 hebben we een 3D-weefselmodel ontwikkeld om
de afdichting rond tandheelkundige implantaten door zachte weefsels en om de rol van orale keratinocyten, gingivale fibroblasten en de oppervlakte-eigenschappen van materialen in de beschermende afdichting te onderzoeken. Bacteriën (streptokokken of stafylokokken) hadden een negatieve invloed op de integratie van fibroblasten op een
Samenvatting
142
titaniumoppervlak zolang er geen keratinocyten aanwezig waren. Dit toont de beschermende barrièrefunctie van keratinocyten aan. Belangrijk is dat de bescherming die wordt geboden door de afdichting van zacht weefsel kan worden beïnvloed door de oppervlakte-eigenschappen van het implantaatmateriaal. Integratie door fibroblasten van een hydrofoob siliconenrubberoppervlak werd meer beïnvloed door bacteriën op hydrofiel hydroxylapatiet of titanium oppervlakken. Deze verschillende reacties op de verschillende materialen maakt het 3D-weefselinfectiemodel tot een bruikbaar hulpmiddel bij de ontwikkeling van nieuwe infectie-resistente materialen voor tandheelkundige implantaten.
Hoewel het 3D co-cultuur model met succes is ontwikkeld, hadden de materialen die gebruikt zijn om het model in Hoofdstuk 2 op te zetten geen antimicrobiële eigenschappen. Daarom werd in Hoofdstuk 3 een foto-thermische, door nabije infrarood (NIR) activeerbare polydopamine coating ontwikkeld en geëvalueerd in respectievelijk peri-, post- en 3D-infectiemodellen. Foto-thermische bacteriedoding geeft risico op schade aan omliggend gezond weefsel door warmteafgifte in het weefsel rondom een infectie. Daarom hebben we de tot nu toe genegeerde mogelijke complicatie van thermische weefselschade onderzocht door foto-thermische coatings van polydopamine-nanodeeltjes op titanium oppervlakken in verschillende co-cultuur modellen te evalueren. We hebben een stafylokokken contaminatie aangebracht op een polydopamine-nanodeeltjes gecoat titanium oppervlak, vergelijkbaar met de bacteriële contaminatie die kan plaatsvinden tijdens een operatie. Deze stafylokokken contaminatie verminderde de oppervlakte bedekking door fibroblasten, maar door een NIR-bestraling gedurende 5 minuten of langer van het polydopamine-nanodeeltjes gecoat titanium oppervlak voordat fibroblasten zich konden hechten, werden de bacteriën gedood en konden de fibroblasten ongestoord groeien. Negatieve effecten van vroege postoperatieve stafylokokken contaminatie op een bestaande fibroblasten laag die een gecoat oppervlak bedekt, werden voorkomen door 3 minuten NIR-bestraling. Langere bestralingstijden veroorzaakten bijkomende fibroblastschade. Late postoperatieve stafylokokken contaminatie voor een fibroblasten laag die beschermd
Samenvatting
143
werd door een keratinocyten laag, vereiste 10 minuten NIR-bestraling om de stafylokokken contaminatie te behandelen. Samenvattend, foto-thermische behandeling van een biomateriaal geassocieerde infectie vereist een nauwkeurige timing van NIR-bestraling om bijkomende schade aan gezond weefsel rond een infectie te voorkomen. Foto-thermische therapie is een effectieve methode om een infectie te behandelen, maar het vinden van de juiste bestralingstijden om weefsel schade te voorkomen, blijft een lastige zaak. In Hoofdstuk 4 wordt een alternatieve benadering beschreven, gericht op de ontwikkeling van een titanium oppervlak met nanobuisjes gevuld met een lage concentratie Ag nanodeeltjes of gentamicine. In monoculturen zagen we dat nanobuisjes gevuld met Ag nanodeeltjes, bacteriën doodden, maar ook weefselcelschade veroorzaakten. Nanobuisjes gevuld met een lage concentratie gentamicine, doodden de aangehechte bacteriën zonder weefsel schade te veroorzaken. In bi-culturen waren noch gladde noch titanium oppervlakken met lege nanobuisjes in staat om aangehechte Staphylococcus aureus en Pseudomonas aeruginosa te doden en kon schade aan gingivale fibroblasten en osteosarcoomcellen door bacteriën niet voorkomen worden. Echter, nanobuisjes met een lage concentratie gentamicine doodden effectief aangehechte bacteriën, hetgeen weefselintegratie bevorderde. We moeten dus voorzichtig zijn met het vullen van nanobuisjes op titanium oppervlakken met Ag-nanodeeltjes, terwijl nanobuisjes op titanium oppervlakken gevuld met een lage concentratie gentamicine kunnen worden gebruikt als een lokaal antibioticumafgiftesysteem om infectie van titanium implantaten als gevolg van peri-operatief geïntroduceerde bacteriën te voorkomen.
In de algemene discussie van Hoofdstuk 5 worden de voordelen en beperkingen van in vitro modellen, foto-thermisch polydopamine-gecoat titanium oppervlakken en gentamicine gevulde titanium nanobuisjes besproken. In vitro co-cultuur infectiemodellen, zoals voorgesteld in dit proefschrift, zullen een betere evaluatie van biomaterialen en coatings mogelijk maken voorafgaand aan dierproeven en mogelijk het aantal proefdieren verminderen. Ten slotte worden suggesties gegeven voor toekomstig onderzoek.
