 心脏植入式电子装置（CIED）治疗已成为治疗各种心律失常及严重心力衰竭的重要手段之一。随着CIED治疗的广泛应用，CIED感染发病率也在不断上升，甚至超过了CIED治疗的增长速度。CIED相关感染会造成许多严重并发症并增加了患者的死亡风险，CIED感染仍是术后最常见也是最严重的并发症之一。 目前有效预防CIED感染的方式主要包括：正确选择符合患者条件的CIED设备、优化无菌装置植入技术、术前抗生素的使用及抗菌包膜的使用。然而，患者发生囊袋感染后，系统使用的抗生素其局部浓度较低，很难完全杀死细菌。 除此之外，全世界范围内抗生素的滥用使病原体相关的耐药性升级，这导致了术前抗生素的效果下降。 南昌大学第二附属医院程晓曙教授团队在《Materials Today Bio》杂志（中科院一区，IF=8.2）上发表“Light-sensitive PEG hydrogel with antibacterial performance for pacemaker pocket infection prevention”论文，构建了一种可有效预防CIED囊袋感染的可快速反应的光响应PEG-NB/HAC水凝胶，在紫外光照射下可快速粘附在硅烷化钛植入物表面，不仅具有良好的生物安全性，还具有广谱抗菌性。
图1 光响应PEG-NB水凝胶通过杀菌及抑制生物膜预防CIED术后感染 该研究首先对天然壳聚糖通过季铵化反应进行优化，不仅提高了壳聚糖水溶性，而且由于阳离子基团的增加其抗菌活性也获得了明显增强。 同时，将PEG及其它一些光敏材料构建了光响应PEG-NB水凝胶，光响应水凝胶不仅具有时空可控性，还可精准控制水凝胶形状，以此在术前迅速完成对CIED的表面修饰。 良好的生物安全性是新型材料在临床应用中的基本前提。该研究将PEG-NB/HAC水凝胶浸提液与NIH-3T3细胞共培养，通过CCK-8及细菌活死染色评估了水凝胶的细胞毒性，体外溶血实验评价水凝胶的血液相容性。 结果证实表明PEG-NB/HAC水凝胶不仅没有细胞毒性，且在一定程度可以促进成纤维细胞的增殖，且具有良好的血液相容性。 将PEG-NB/HAC水凝胶植入大鼠皮下囊袋中，通过对植入部位、心肝肾组织的HE染色，血常规、肝功能、肾功能分析，评估水凝胶的体内安全性，结果发现植入部位组织、心肌、肝、肾组织未见明显炎症细胞浸润、血管扩张及组织纤维化的发生，对血液系统，肝肾功能也无影响，证实了PEG-NB/HAC水凝胶具有良好的生物安全性。
A. NIH/3T3细胞与水凝胶浸提液共培养后活死细胞染色图。B. NIH/3T3细胞与水凝胶浸提液共培养1天、3天、7天后的细胞活力。C. 水凝胶与对照组植入部位组织HE染色图。D. 水凝胶与对照组的血常规、肝、肾功能分析。 图2 PEG-NB/HAC水凝胶的生物安全性 根据CIED感染的微生物流行病学特征，该研究选用金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌代表革兰阳性菌，大肠杆菌、铜绿假单胞菌代表革兰阴性菌，通过菌落计数、活死细菌染色和扫描电镜对PEG-NB/HAC水凝胶的体外抗菌性能进行全面的评估。 菌落计数实验结果显示水凝胶组菌落计数都明显低于对照组，尤其是在金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌及铜绿假单胞菌组，其细菌数目下降90%以上。 细菌活死染色结果进一步证实了PEG-NB/HAC水凝胶对四种细菌均具有优良的接触杀菌性能。扫描电镜结果发现水凝胶组样品表面粘附细菌数量显著减少，且细菌形态不规则，甚至出现了裂解。 证实了PEG-NB/HAC水凝胶具有优异的体外抗菌性能。
A. 菌落计数分析。B. 活死细菌染色。C. 扫描电镜图像 图3 PEG-NB/HAC水凝胶体外抗菌有效性。 本研究在大鼠背部构建囊袋感染模型用于验证PEG-NB/HAC水凝胶的体内有效性。在植入术后第3天、7天重新切开囊袋进行大体观察、菌落计数、活死细菌染色、HE染色、免疫组织化学染色及荧光定量qPCR实验全面评估PEG-NB/HAC水凝胶的体内抗感染能力。 结果如下：①切开后囊袋的大体观察显示对照组出现大量白色脓性分泌物，而水凝胶组未见明显脓性分泌物。②植入物细菌定量分析及细菌活死染色结果发现，相较于对照组，水凝胶组细菌数量、细菌活力均明显降低。③HE染色发现对照组囊袋组织筋膜层有大量渗出液，并出现明显炎症细胞浸润情况，而水凝胶组囊袋组织筋膜层未发现明显渗出物及细菌浸润。④免疫组化及qPCR结果提示对照组囊袋组织的炎症因子IL-1β和 TNF-α表达明显增强。以上结果证明PEG-NB/HAC水凝胶在体内同样具有优异的抗菌性能。
A. 体内实验方案。B. 植入术后第3天、7天囊袋感染的代表性图片。C. 活死细菌染色图像。D. 细菌定量分析。 图4 PEG-NB/HAC水凝胶体内抗菌有效性。 总体而言，该研究成功构建了一种光响应PEG-NB/HAC抗菌水凝胶，不仅拥有良好的生物安全性，还具有优异的体内、体外抗菌性能，可在术前快速固定于CIED表面，最终可用于预防CIED囊袋感染，这为CIED术后感染的预防提供了新的治疗手段与理论依据。 近年来，南昌大学第二附属医院程晓曙教授团队针对预防CIED术后感染等心血管疾病诊疗的常见问题进行了新材料开发和转化，2022年已获得一项国家发明专利（专利号：ZL202010254278.7）——“抗菌水凝胶及其制备方法和应用”。 来源：Xiong Y, Zhang Q, Li J, et al. Light-sensitive PEG hydrogel with antibacterial performance for pacemaker pocket infection prevention[J]. Materials Today Bio, 2024,25:100987. |
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