インプラント表面上のs表皮とヒト骨芽細胞の共培養：インプラント関連感染症の高度なin vitroモデル

目的：関節全体の関節形成術は、今日最も頻繁で効果的な手術の1つです。しかし、外科的技術の改善にもかかわらず、かなりの数のインプラント関連感染が依然として発生しています。感染を防ぐために潜在的なアプローチをテストするには、適切なin vitroモデルが必要です。本研究では、インプラント関連感染症の開始をモデル化し、抗菌薬インプラント表面とコーティングを分析するために、ヒト原発性骨芽細胞とS.表皮のin vitro共培養セットを確立することを目指しました。 材料と方法：初期表面接着のために、ヒトの原発性骨芽細胞（HOB）を、抗生物質を搭載したポリスチレン、チタン合金TI6AL4V、骨セメントパラコスR®、およびパラコスR®で作られたテストサンプルディスクで24時間栽培しました。共培養は、S。表皮（0.04の感染の多様性）による骨芽細胞に対する単一種の感染症として行われ、好気性条件下で2日間および7日間インキュベートされました。浮遊性S.表皮は、コロニー形成ユニット（CFU）の遠心分離と測定により定量化されました。テストサンプル上のバイオフィルム結合S. epidermidisの定量化は、超音波処理とCFUカウントによって実行されました。テストサンプル上の接着性および重要な原発性骨芽細胞の定量化は、トリパンブルー染色とカウントによって行われました。走査型電子顕微鏡検査は、サンプル表面上の種の地形と組成の評価に使用されました。 結果：2日後、HOBの存在下で抗生物質に搭載された骨セメントサンプルで約104 CFU/mLバイオフィルム結合S.表皮（初期集団103 CFU/ML初期集団）が観察されましたが、HOBなしで細菌は検出されませんでした。どちらの場合も7日後にバイオフィルム結合細菌は検出できませんでした。同様のレベルの浮遊性菌が、ホブの有無にかかわらず2日目に観察されました。7日後、約105 cfu/mlの浮遊性菌が存在しましたが、HOBが存在しない場合にのみ存在しました。さらに、バイオフィルム内で細菌は観察されませんでしたが、HOBの数は、ホブの単培養では150％に比べて初期値の10％に減少しました。 結論：インプラント関連感染症の発症のためのより包括的なin vitroモデルとして機能し、抗菌薬インプラント材料とコーティングの試験方法を提供する共同培養セットアップを開発しました。私たちは、モノカルチャーの実験から利用できない観察を行うことができることを実証します。

OBJECTIVES: Total joint arthroplasty is one of the most frequent and effective surgeries today. However, despite improved surgical techniques, a significant number of implant-associated infections still occur. Suitable in vitro models are needed to test potential approaches to prevent infection. In the present study, we aimed to establish an in vitro co-culture setup of human primary osteoblasts and S. epidermidis to model the onset of implant-associated infections, and to analyze antimicrobial implant surfaces and coatings. MATERIALS AND METHODS: For initial surface adhesion, human primary osteoblasts (hOB) were grown for 24 hours on test sample discs made of polystyrene, titanium alloy Ti6Al4V, bone cement PALACOS R®, and PALACOS R® loaded with antibiotics. Co-cultures were performed as a single-species infection on the osteoblasts with S. epidermidis (multiplicity of infection of 0.04), and were incubated for 2 and 7 days under aerobic conditions. Planktonic S. epidermidis was quantified by centrifugation and determination of colony-forming units (CFU). The quantification of biofilm-bound S. epidermidis on the test samples was performed by sonication and CFU counting. Quantification of adherent and vital primary osteoblasts on the test samples was performed by trypan-blue staining and counting. Scanning electron microscopy was used for evaluation of topography and composition of the species on the sample surfaces. RESULTS: After 2 days, we observed approximately 104 CFU/ml biofilm-bound S. epidermidis (103 CFU/ml initial population) on the antibiotics-loaded bone cement samples in the presence of hOB, while no bacteria were detected without hOB. No biofilm-bound bacteria were detectable after 7 days in either case. Similar levels of planktonic bacteria were observed on day 2 with and without hOB. After 7 days, about 105 CFU/ml planktonic bacteria were present, but only in the absence of hOB. Further, no bacteria were observed within the biofilm, while the number of hOB was decreased to 10% of its initial value compared to 150% in the mono-culture of hOB. CONCLUSION: We developed a co-culture setup that serves as a more comprehensive in vitro model for the onset of implant-associated infections and provides a test method for antimicrobial implant materials and coatings. We demonstrate that observations can be made that are unavailable from mono-culture experiments.