| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| PREVENCIÓN DE LA INFECCIÓN PROTÉSICA EMPLEANDO UN GEL CON RIFAMPICINA: APLICACIÓN EN EL RECUBRIMIENTO DE MATERIALES DE REPARACIÓN HERNIARIA | | Autor/a | Gonzales Aguilar, Jhonny David | | Departamento | Biología de Sistemas | | Director/a | Pascual González, Gemma | | Codirector/a | Pérez Köhler, Bárbara | | Fecha de depósito | 30-07-2024 | | Periodo de exposición pública | 31 de julio a 12 de septiembre de 2024 | | Fecha de defensa | Sin especificar | | Modalidad | Presencial | | Programa | Ciencias de la Salud (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | La reparación de defectos herniarios en la pared abdominal con implante de material protésico es un procedimiento quirúrgico estándar en la práctica cotidiana actual, con un aumento exponencial de intervenciones llevadas a cabo en los últimos años. A lo largo de las últimas décadas, se han dedicado muchos esfuerzos orientados a la búsqueda del material protésico "ideal", entre cuyas características principales destacarían: ser biocompatible, químicamente inerte, tener buena tolerancia a la infección, carecer de productos alergénicos o cancerígenos, ser fácilmente esterilizable, tener capacidad de adaptarse al defecto y de integrarse en el tejido circundante, inducir mínimas reacciones inflamatorias en el huésped, favorecer una buena vascularización y ser resistente a las infecciones.
A pesar de los grandes avances tecnológicos logrados sobre su diseño y las aproximaciones quirúrgicas para su colocación, el implante de material protésico para la reparación herniaria no está exenta de complicaciones postoperatorias, pudiendo ocurrir eventos tales como: formación de seroma, hematoma, dolor crónico, obstrucciones intestinales, adherencias y fístulas, dehiscencia y migración del material protésico e infección, entre otros. Entre todas ellas, la infección destaca por el gran impacto que causa sobre el paciente y el sistema sanitario, y representa una de las complicaciones más graves tras la reparación herniaria, pudiendo desembocar en el fracaso del implante y por ende de la reparación.
Las tasas de infecciones postoperatorias relacionadas con el implante protésico no son desdeñables. Según últimas publicaciones sobre la reparación herniaria con malla protésica, se realizan más de 20 millones de procedimientos anuales a nivel mundial, con una incidencia de infecciones que fluctúa desde valores inferiores al 1% hasta superiores al 10%, llegando incluso a rebasar el 30% en los casos más complejos. Estos porcentajes son muy preocupantes dada la alta frecuencia de los procedimientos quirúrgicos realizados.
Entre los gérmenes más frecuentes que se asocian a las infecciones de los biomateriales para la reparación herniaria destacan Staphylococcus aureus (Sa) y Staphylococcus epidermidis (Se). Estas bacterias se encuentran en la piel y mucosas del paciente y son responsables de la mayoría de los casos de infección, al penetrar a través de la herida quirúrgica y colonizar el material protésico en el momento de su implante.
Cuando se implanta una malla protésica en un escenario potencialmente contaminado, el número de bacterias requeridas para causar la infección es sustancialmente menor al que serían necesarias si no hubiera un material implantado. La alta susceptibilidad a la infección de los materiales protésicos se debe, por un lado, a la habilidad adaptativa y capacidad de las bacterias para colonizar la superficie del biomaterial y, por otro lado, al hecho de que la propia presencia de un material protésico disminuye la eficacia del sistema inmune frente a los microorganismos. La colonización y proliferación de bacterias en un material implantado es un problema de difícil solución, especialmente si los gérmenes implicados son capaces de desarrollarse en forma de biofilm o biopelícula. En estos casos, las bacterias producen una cubierta proteica que las ancla fuertemente al sustrato y las protege de la respuesta inmune del receptor y de la acción de los antibióticos. La consecuencia final, en la mayoría de las ocasiones, es la necesidad de extirpar el implante como única medida terapéutica posible.
Una de las principales estrategias destinadas a combatir las infecciones protésicas se basa en prevenir de forma temprana la adherencia y la colonización bacteriana del material implantado. Para ello, la prótesis debe presentar alguna característica que le permita ejercer una actividad antibacteriana o antiadherente. Con este fin, han surgido numerosas alternativas, siendo el recubrimiento profiláctico de mallas con agentes bioactivos antibacterianos una de las que mayor interés ha generado. En este sentido, impregnar una malla protésica con un recubrimiento provisto de antibiótico permitiría una actuación local del fármaco en la zona del defecto tisular, evitando la potencial interacción de las bacterias con el material protésico y los tejidos adyacentes. Al tratarse de una profilaxis local, se ajustarían mejor las dosis de antibiótico a administrar, reduciendo con ello los riesgos de efectos secundarios sistémicos o la posible formación de resistencias antibióticas.
En este trabajo de Tesis Doctoral exponemos el desarrollo de un gel acuoso de carboximetilcelulosa sódica (CMC) funcionalizado con rifampicina (RIF) para el recubrimiento de mallas protésicas de polipropileno (PP), con el objetivo de proporcionar propiedades antibacterianas al biomaterial y reducir con ello el riesgo de infección tras su implante en la pared abdominal.
Las preguntas de hipótesis de partida formuladas en este estudio han sido:
¿Es viable desarrollar un recubrimiento de carboximetilcelulosa sódica (CMC) funcionalizado con rifampicina (RIF) para mallas de polipropileno (PP) utilizadas en reparación herniaria, logrando una liberación eficaz del agente antimicrobiano?
¿La utilización de un recubrimiento de carboximetilcelulosa sódica (CMC) funcionalizado con rifampicina (RIF) sobre mallas de polipropileno (PP) reducirá significativamente las tasas de infección postoperatoria en comparación con mallas no recubiertas o recubiertas con CMC sin antibiótico, sin comprometer la biocompatibilidad ni las propiedades morfológicas de la malla?
Para dar respuesta a estas preguntas, se elaboró un diseño experimental en el que se ha utilizado una prótesis de PP monofilamento de bajo peso y de poro amplio (Optilene Mesh Elastic, Op), estableciendo tres grupos experimentales: un grupo control de implantes sin recubrir (Op), un grupo de implantes recubiertos con un gel sin fármaco (Op + CMC), y un grupo con implantes recubiertos con gel provisto de RIF a una dosis de 0,13 mg/mL (Op + CMC-RIF). La eficacia de este recubrimiento se valoró frente a S. aureus (Sa) y S. epidermidis (Se) (dosis: 106 UFC) por medio de estudios in vitro y con un modelo preclínico de implante protésico en la pared abdominal anterior de los animales de experimentación.
En la fase in vitro se realizaron pruebas para valorar el efecto bactericida del gel CMC-RIF hacia los microorganismos seleccionados (test de difusión en agar), determinar la capacidad de inhibir el crecimiento bacteriano y evitar la adhesión a la superficie protésica (sonicación, tinción cristal violeta, microscopía electrónica de barrido) y evaluar la posible toxicidad de los geles hacia una población de células eucariotas en cultivo, específicamente fibroblastos (ensayos colorimétricos de viabilidad celular por el método de alamarBlue).
En la fase in vivo se ha utilizado como animal de experimentación el conejo blanco Nueva Zelanda, macho, con peso 3.000-3.100 g al comienzo del estudio (n=34). Mediante técnica quirúrgica, se crearon defectos parciales (5 x 2 cm) en la vertiente lateral derecha de la pared abdominal anterior de cada animal. El defecto tisular se inoculó con 0,25 mL de la suspensión bacteriana correspondiente (Sa/Se) a 106 UFC/mL antes de colocar el material protésico (Op) garantizando así una inoculación homogénea de todo lecho quirúrgico. Los animales se distribuyeron aleatoriamente entre los distintos grupos experimentales, de acuerdo con la malla recibida y bacteria contaminante: Op, (n=3 Sa; n=3 Se); Op + CMC, (n=7 Sa; n=7 Se); Op + CMC-RIF, (n=7 Sa; n=7 Se). Todos los implantes se evaluaron una vez alcanzado un tiempo de estudio de 14 días. Tras la eutanasia, las prótesis fueron inspeccionadas macroscópicamente para valorar evidencias de infección y se determinaron los niveles plasmáticos de antibiótico a partir de muestras de sangre (cromatografía líquida de alta resolución, HPLC). A continuación, los implantes fueron extirpados para su evaluación microbiológica, histológica e inmunohistoquímica, con vistas a determinar el efecto antibacteriano del gel así como la biocompatibilidad de los implantes con el tejido receptor (sonicación, microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido, microscopía láser confocal).
Los resultados in vitro demostraron que el gel CMC-RIF actuaba de forma eficaz frente a Sa y Se, formado halos de inhibición estables y de gran amplitud sobre las placas de agar (Sa: 40,14 ± 0,75 mm; Se: 46,50 ± 1,42 mm). De forma similar, las mallas de PP recubiertas por este gel no presentaron adhesión ninguna a su superficie, mientras que las prótesis control (sin revestir) o las provistas de CMC sin fármaco sufrieron una gran adhesión bacteriana, evidenciada por la presencia de una biomasa de microorganismos fuertemente adheridos a estos materiales, que pudieron ser visualizados y cuantificados (valores medios para Sa: Op 4,306 x 107, Op + CMC 9,180 x 106; valores medios para Se: Op: 5,955 x 105, Op + CMC: 3,212 x 105). Junto a estos hallazgos, la CMC empleada como vehículo de administración y fármaco RIF demostraron ser inocuos para los fibroblastos en cultivo, poniendo de manifiesto la biocompatibilidad de ambos compuestos con las células eucariotas.
En el modelo in vivo, no se registró mortalidad en ninguno de los grupos experimentales. En el momento de la eutanasia, los grupos Op y Op + CMC presentaron evidencia macroscópica de infección que fue más intensa en los casos contaminados con Sa que con Se. Los implantes mostraron una cantidad variable de material purulento que cubría parcialmente las prótesis y se observaron áreas en las que la prótesis no estaba completamente integrada en el tejido huésped. En estos materiales se pudo cuantificar una gran cantidad de bacterias vivas adheridas a la superficie del implante y los tejidos circundantes, especialmente en regiones próximas al margen lateral de anclaje al tejido receptor. Por el contrario, los implantes Op + CMC-RIF mostraron una superficie limpia, las prótesis estaban correctamente integradas en el tejido receptor y no se logró evidenciar la presencia de Sa ni Se adheridas a ninguno de estos implantes.
Histológicamente, los implantes Op y Op + CMC mostraron una mayor reacción inflamatoria en el tejido de nueva formación, así como la presencia de un tejido conjuntivo más denso y con mayor proporción de colágeno de tipo III o inmaduro. En estos implantes, se pudo visualizar la presencia de abscesos embebidos en el tejido receptor que dificultaban la integración tisular de la prótesis y se localizaron bacterias en diversas regiones a lo largo del implante, especialmente en los casos con infección de Sa. Por el contrario, los implantes del grupo Op + CMC-RIF, con independencia de la bacteria inoculada, se mostraron completamente integrados en el tejido de nueva formación y el tejido conjuntivo neoformado presentó un aspecto menos denso, con una mayor proporción de colágeno maduro de tipo I. En cuanto a la reacción macrofágica, esta fue más moderada en los implantes provistos de gel antibacteriano (Sa: vs. Op 0,01; Se: vs Op p<0.01, vs. Op + CMC p<0,05).
A nivel plasmático, no se detectó la presencia de RIF en ninguno de los animales cuyos implantes estaba impregnados con el gel provisto de antibiótico, lo que indicó la ausencia de efecto sistémico de este recubrimiento.
Los hallazgos obtenidos en los modelos experimentales in vitro e in vivo ponen de manifiesto que el gel CMC-RIF elaborado ejerce una gran actividad antibacteriana frente a estas dos cepas gram-positivas, al tiempo que resulta inocuo para las células eucariotas. Su empleo como recubrimiento para mallas protésicas de PP aporta a estos materiales una defensa profiláctica local, sin que se produzcan efectos sistémicos causados por el antibiótico. Las mallas recubiertas con el gel CMC-RIF, una vez implantadas, evitan la adhesión y colonización bacteriana del implante, sin que se vean alterados los procesos naturales de integración protésica y reparación tisular.
Las conclusiones que hemos alcanzado con este estudio son:
La funcionalización de una solución de carboximetilcelulosa sódica (CMC) con rifampicina (RIF) tiene como resultado la formación de un gel homogéneo y de consistencia adecuada, permitiendo el recubrimiento eficiente de mallas protésicas de polipropileno (PP) mediante inmersión.
El agente antibacteriano incluido en el gel se libera eficazmente y ejerce una correcta actividad frente a las bacterias gram-positivas S. aureus y S. epidermidis, impidiendo su crecimiento, adhesión y proliferación sobre las mallas recubiertas.
Tanto el vehículo (CMC) como el antibiótico (RIF) empleados en la formulación del gel profiláctico han demostrado ser biocompatibles a las concentraciones utilizadas, al no ejercer actividad tóxica sobre células eucariotas en cultivo.
En el modelo preclínico, el procedimiento quirúrgico para el implante de mallas de PP impregnadas con CMC-RIF no se ve afectado por la presencia del gel, ya que este recubrimiento no altera la estructura de la prótesis.
Tras 14 días del implante, de acuerdo con los hallazgos macroscópicos y microscópicos, las prótesis recubiertas con gel CMC-RIF demuestran un comportamiento óptimo en comparación con los materiales sin recubrimiento o impregnados en un gel sin antibiótico. La presencia del recubrimiento antibacteriano en los implantes evita la colonización de S. aureus y S. epidermidis, sin interferir en el proceso normal de reparación y remodelación tisular a este tiempo de estudio.
La aplicación local del recubrimiento profiláctico asegura que no haya liberación sistémica del antibiótico al torrente sanguíneo, concentrando la acción antimicrobiana en el sitio del implante y minimizando posibles efectos secundarios sistémicos.
Por su eficacia a nivel local, su biocompatibilidad y su facilidad de uso, el gel antibacteriano de CMC y RIF representa una estrategia relevante de recubrimiento profiláctico para mallas de PP. Su aplicación previene de manera efectiva la adhesión bacteriana y reduce significativamente la tasa de infecciones postoperatorias tras la reparación herniaria.
Debido a su comportamiento prometedor, resulta necesario profundizar en el estudio de este gel y sus posibles variantes, con el objeto de determinar una potencial traslación clínica. Además, es crucial identificar los perfiles de pacientes o situaciones específicas en los que el recubrimiento de mallas protésicas con este gel profiláctico pueda ofrecer beneficios significativos. |
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