Bridging the gap between in vitro and in vivo evaluation of biomaterials-associated infections

Abstract

Hoe ouder we met zijn allen worden, hoe vaker we gebruik zullen maken van implantaten als kunstheupen, kunstknieën en pacemakers. Gevaar bij dergelijke implantaten is dat zich micro-organismen (bijvoorbeeld bacteriën) aan het oppervlak kunnen vasthechten. Er ontstaat dan een biofilm, vergelijkbaar met roest en tandplak, die onder meer infecties kan veroorzaken en het implantaat kan beschadigen. Promovendus Guruprakash Subbiahdoss bracht in kaart hoe groot de kans is dat een biofilm ontstaat op een implantaat. Zelfs als er maar een heel klein aantal bacteriën aanwezig is, kan er een biofilm ontstaan, zo blijkt. Dit hangt af van de virulentiefactor van de ziektekiem. Het is dan ook nodig om implantaten en coatings voor implantaten te ontwikkelen, die de groei van bacteriën tegengaan, en de groei van gezond weefsel rondom het implantaat stimuleren. Het huidige onderzoek hiernaar kan worden verbeterd door aan laboratoriumstudies met weefselkweken ook antibiotica, groeifactoren en cytokines toe te voegen, stelt Subbiahdoss. Zo wordt de in vivo situatie beter gesimuleerd. Hij stelt voor om de resultaten uit onderzoek met weefselkweken te toetsen in diermodellen. Door de materialen en coatings goed te screenen, kan het aantal benodigde proefdieren beperkt blijven. Biomaterials play an important role in modern medicine in the restoration of tissue, organ or body function. The use of biomaterial implants and medical devices is mainly restricted by complications due to biomaterial-associated infections (BAI). There are various routes along which microorganisms can enter the body and develop a BAI in the case of permanent implants. The best-documented route is direct contamination of an implant during surgery (peri-operative contamination). BAI can also be initiated immediately post-surgery during hospitalization (post-operative contamination) or microbial spreading through blood from infections elsewhere in the human body. In 1987, the orthopedic surgeon Anthony Gristina coined the term “race for the surface” that is the fate of a biomaterial implant was depicted as a race between microbial adhesion and biofilm growth on an implant surface versus tissue integration. Irrespective of the route of infection, the fate of biomaterial implants depends mainly on the outcome of the so-called ‘race for the surface’. Till today, biomaterials or functional coatings were evaluated in vitro either for their ability to resist bacterial adhesion or for their ability to support mammalian cell adhesion and proliferation based on the concept of the race for the surface. However, no attempt was made to address the simultaneous effects of the presence of bacteria and mammalian cells on a biomaterial surface due to the lack of proper methodology, which according to the concept of the ‘race for the biomaterial surface’, is crucial for the ultimate fate of a biomaterial implant. A proper method to study the race for the surface on an experimental basis, would constitute a valuable bridge between in vivo and in vitro studies. Therefore, this thesis focuses on the development of methods that could bridge the gap between in vitro and in vivo studies on BAI.