Диагностика и лечение инфекционных и воспалительных заболеваний на основе фотоники (аннотация)Диагностика и лечение инфекционных и воспалительных заболеваний на основе фотоники
Часто антибиотики назначаются до официальной диагностики инфекции из-за длительности процедур, которые могут занимать часы или дни в сочетании с потенциальными сопутствующими заболеваниями (например, диабетом), которые могут потребовать срочного лечения.
Поэтому разумно предположить, что если станут доступны быстрые и эффективные методы диагностики, больше пациентов получат достоверный диагноз, что ограничит селекцию резистентных к противомикробным препаратам патогенов. Даже при наличии надежного диагноза, учитывая количество патогенных микробов, которые уже резистентны к традиционному лечению, срочно необходимы новые антимикробные подходы.
В последние годы наблюдается рост числа исследований, в которых предлагается использовать биофотонные подходы, направленные на повышение диагностической эффективности существующих золотых стандартов. Кроме того, было проведено множество исследований, в которых использовалось применение света как в качестве замены существующих антибиотиков, так и в качестве дополнительной терапии. В рамках данного обзора рассмотрено восемь статей, посвященных последним исследованиям в области биофотоники, которые применяются как для диагностики, так и для лечения инфекционных и воспалительных заболеваний.
В исследовании Zhang et al., посвященном диагностике, авторы стремились использовать комбинированную рамановскую микроскопию (CRM) в качестве метода идентификации бактерий и выяснения их чувствительности к противомикробным препаратам. Они указали на важность разработки новых методов определения бактериальных инфекций (и тестирования чувствительности к противомикробным препаратам), учитывая, что определение с помощью стандартных методов может занять 3-5 дней для получения результатов. Поэтому в своем исследовании они получили большой объем данных на основе идентификации бактериальных патогенов в моче, которые часто встречаются при ИМП. Кроме того, они оценили метаболические изменения в бактериях, используя микроскопию рамановского рассеяния как метод определения реакции бактерий на антибиотики и как фактор для определения чувствительности к противомикробным препаратам. Они обнаружили, что CRM может обеспечить классификацию бактерий на основе обычных методов окрашивания по Граму и определение чувствительности к противомикробным препаратам в течение 3 ч после тестирования бактерий в моче. Авторы предположили, что использование этих подходов рамановской микроскопии может стать мощным диагностическим инструментом с широкими возможностями клинического применения.
В другом схожем исследовании Yuan et al. рассмотрели госпитальную инфекцию, вызванную Elizabethkingia spp., которая представляет собой новую клиническую проблему, характеризующуюся множественной лекарственной резистентностью и тяжелыми клиническими последствиями. Авторы оценили потенциал оптимизированного метода Raman-DIP (в сочетании с дейтериевым зондированием) на двух стандартных штаммах Elizabethkingia spp. (ATCC 13253 и FMS-007) и 29 клинических изолятах, выделенных из больниц Китая.
Показатели теста на антимикробную чувствительность (АSТ) Elizabethkingia spp. были определены с помощью метода Raman-DIP в течение 4 ч (всего одна треть времени, необходимого для стандартного метода микроразведений в бульоне). Авторы продемонстрировали высокую стабильность результатов по сравнению со стандартным методом (методом микроразведений. Метод Raman-DIP можно было также непосредственно применять для положительных образцов культуры крови, а также образцов, выделенных из крови, спинномозговой жидкости и других жидкостей организма, с низким числом КОЕ Elizabethkingia spp. Авторы продемонстрировали возможность применения метода Raman-DIP для клинической диагностики Elizabethkingia spp. Кроме того, авторы пришли к выводу, что метод Raman-DIP можно интегрировать в текущий клинический протокол лечения сепсиса. Это исследование также подтвердило, что миноциклин и левофлоксацин являются антимикробными препаратами первой линии при инфекции Elizabethkingia spp.
В исследовании, ориентированном на терапию, Yin et al. представили новый подход, в котором использовался новый фотосенсибилизатор для фотодинамической терапии (ФДТ) против остеомиелита с лекарственной резистентностью. Как упоминалось выше, поскольку инфекции, резистентные к антибиотикам, сделали многие микробы толерантными к обычным терапевтическим средствам, авторы предложили использовать новый подход ФДТ (с антибиотиками или без них) для лечения остеомиелита. Они обосновали необходимость применения этого специфического подхода сниженным потенциалом развития резистентности по сравнению с обычными антибиотиками.
В своем исследовании они испытали новый фотосенсибилизатор LD4, который представляет собой синтезированное соединение аминотретафенилпорфирина, хорошо растворимое и обладающее низкой токсичностью для организма. Они использовали его в сочетании с 650 нм лазером ( облучение 158 мВт/см2; лучевая нагрузка: 95 Дж/см2) в качестве самостоятельного метода лечения остеомиелита большеберцовой кости кролика, вызванного лекарственно-устойчивым Staphylococcus aureus, и в качестве дополнения к терапии гентамицином. Они обнаружили, что снижение жизнеспособности S. aureus более чем на 99,9% было достигнуто при использовании только ФДТ и при использовании ФДТ плюс антибиотик, через 5 недель после лечения. С гистологической точки зрения, они обнаружили, что костная ткань была восстановлена как при использовании только ФДТ, так и ФДТ плюс антибиотики, причем в последнем случае наблюдалось более значительное заживление.
Рентгенологический анализ показал, что костные дефекты в группе ФДТ плюс антибиотики были наименее серьезными, а в группе только ФДТ - вторыми по тяжести. В группе, получавшей одни антибиотики, наблюдались наиболее серьезные костные дефекты, которые были лишь незначительно лучше, чем в контрольной группе, не получавшей никакого лечения. Авторы пришли к выводу, что ФДТ плюс антибиотики могут иметь синергетический потенциал в лечении остеомиелита и, таким образом, могут быть перспективным методом, который может позволить снизить концентрацию применяемых антибиотиков.
В схожем исследовании, посвященном применению ФДТ, Gholami et al. провели поиск, обзор и обобщение опубликованных работ, в которых рассматривалось применение антимикробной ФДТ. Авторы основывали свое исследование на рандомизированных контролируемых клинических исследованиях, доступных в различных базах данных до сентября 2022 года. Они изучили перспективы применения ФДТ в стоматологической практике.
Авторы обнаружили несколько клинических исследований, в которых ФДТ рассматривалась как эффективный дополнительный метод лечения для снижения патогенной бактериальной нагрузки в полости рта при пародонтите и периимплантите, персистирующих эндодонтических инфекциях, кариесе, а также при грибковых и вирусных инфекциях. Клинические исследования на основе ФДТ при инфекциях пародонта и эндодонтии встречаются и описываются в литературе чаще, чем при кариесе, грибковых и вирусных инфекциях. Основываясь на этих результатах, авторы смогли продемонстрировать снижение нагрузки микроорганизмов, связанной с этими инфекциями, в результате ФДТ.
Другой важный результат, показанный авторами, связан с использованием фотосенсибилизаторов и параметров света. Было использовано несколько фотосенсибилизаторов, основанных на синтетических или природных соединениях, а также неоднородные параметры света, которые использовались в различных исследованиях. Несколько типов фотосенсибилизаторов и параметров света могут непосредственно влиять на эффективность ФДТ и ее клиническое применение из-за отсутствия стандартизации в различных исследованиях. Таким образом, авторы доказательно продемонстрировали применение ФДТ в стоматологии.
Для получения более последовательных результатов и лучшей стандартизации используемых параметров необходимо использовать исследования in vivo и высококачественные рандомизированные контролируемые клинические испытания, сосредоточенные на конкретных параметрах ФДТ и облучения. Кроме того, новые структурные фотосенсибилизаторы (не такие как LD4, описанный выше Yin et al.), улучшенные носителями и адъювантами для повышения безопасности, эффективности, адресности и экономичности, могут оптимизировать терапевтические цели и помочь врачам достичь желаемых антимикробных результатов. Авторы пришли к выводу, что другие аспекты, такие как удовлетворенность пациентов терапией, безопасность и побочные эффекты, также должны быть рассмотрены и оценены в будущих клинических исследованиях.
В другом исследовании, посвященном ФДТ, Huang et al. сосредоточились на описании антибактериальных стратегий на основе фотоники [антимикробная ФДТ и фототермальная терапия (ФТТ)] и их механизмов, а также на применении антибактериальных стратегий на основе фотоники для лечения инфекционных заболеваний полости рта. По мнению авторов, ФДТ является минимально инвазивным, низкотоксичным и высокоселективным методом. Авторы описали, что в стоматологии ФДТ применяется для лечения таких заболеваний полости рта, как кариес, пародонтоз, периимплантит, кандидоз полости рта, эндодонтические инфекции и др. Кроме того, авторы также описали еще один метод антибактериальной терапии на основе фотоники под названием ФТТ.
ФТТ - это неинвазивная терапия, используемая для борьбы с лекарственно-устойчивыми бактериями и биопленками. ФТТ обладает рядом преимуществ, таких как минимальная системная токсичность, антибактериальная активность широкого спектра действия и отсутствие лекарственной резистентности. Для изолированного применения ФТТ требуется мощное лазерное облучение и высокая доза фототермического агента, что может вызвать повреждение тканей. Механизмы ФТТ основаны на повышении проницаемости мембран, денатурации бактериальных белков и необратимом разрушении бактерий.
Рассматривая преимущества двух антибактериальных стратегий на основе фотоники, авторы описали, что комбинация ФДТ и ФТТ продемонстрировала свой потенциал, поскольку такое объединение может быть более функциональным и минимизировать побочные эффекты. Тепло может ускорить высвобождение и проникновение лекарств, а также способствовать высвобождению реактивных форм кислорода и некоторым химическим реакциям.
Другой аспект, который авторы учли в данном обзоре, связан с существующими материалами для ФДТ и ФТТ. По мнению авторов, следует обратить внимание на некоторые моменты. Различные материалы требуют различных параметров, особенно их концентрации, дозы света и времени экспозиции, связанного с источником света. Кроме того, значительное влияние на эти материалы может оказывать микросреда полости рта, такая как разный pH, температурная переносимость различных участков, текучесть слюны и десневой жидкости. На основании этой обзорной статьи авторы пришли к выводу, что антимикробные стратегии на основе фотоники ( ФДТ и ФТТ), а также специальные материалы для полости рта на основе фотоники, интегрированные с диагностикой и лечением, могут стать тенденцией и предметом будущих исследований.
В исследовании dos Anjos et al. также использовался световой подход, в данном случае антимикробный синий свет (aBL) для лечения высокоинвазивной инфекции V. vulnificus. Хорошо известно, что инфекции кожи и мягких тканей, вызванные Vibrio vulnificus, являются чрезвычайно опасными и ассоциируются с 50% летальностью. Поскольку эффективность антибиотиков снижается, а инфекция V. vulnificus становится все более резистентной к обычным антибиотикам, авторы пришли к выводу, что для снижения смертности, связанной с V. vulnificus, могут потребоваться новые подходы. Кроме того, учитывая, что инвазивность V. vulnificus является чрезвычайно сильной и быстротечной, подход, который можно быстро внедрить, может дополнительно снизить любую связанную с ним летальность.
Поэтому авторы применили самостоятельный биофотонный подход, aBL, в качестве метода снижения смертности в мышиной модели ожоговой инфекции. В своих исследованиях in vitro они обнаружили, что V. vulnificus очень чувствительны к aBL-опосредованному уничтожению: снижение жизнеспособности колониеобразующих единиц (КОЕ) на 5,17 и 4,57 log10 было достигнуто против планктонного состояния и состояния биопленки, соответственно.
Они обнаружили, что все протестированные штаммы обладали различными эндогенными порфиринами; основным хромофором, участвующим в фотодинамическом эффекте, вызываемом aBL. Кроме того, они обнаружили, что aBL вызывает пермеабилизацию бактериальной мембраны при воздействии. В исследованиях in vivo они обнаружили, что aBL может эффективно и значительно снизить смертность у самцов и самок мышей, инфицированных биолюминесцентным вариантом V. vulnificus.
Например, у самок мышей воздействие aBL через 30 минут или 6 часов после инокуляции бактерий (100 мВт/см2; 360 Дж/см2) привело к 81 и 86% выживанию, соответственно, по сравнению с необработанным контролем, где выживаемость составила всего 28%. Авторы также провели анализ цитокинов в тканях кожи у самцов и самок мышей после aBL. Они обнаружили, что у самцов мышей пять цитокинов (например, MCSF) были повышены, а у самок - только один (TIMP-1). Авторы пришли к выводу, что aBL может быть эффективным подходом как для профилактики, так и для лечения инфекций, вызванных V. vulnificus.
В аналогичном исследовании Butement et al. оценили использование мочевого катетера, излучающего aBL, в качестве метода предотвращения образования биопленки Proteus mirabilis. Обоснованием их исследования послужил тот факт, что катетер-ассоциированная инфекция мочевыводящих путей (CAUTI) является важной причиной нозокомиальных инфекций, которые являются бременем для общественного здравоохранения. CAUTI развивается в результате образования биопленки на мочевых катетерах, которая может сделать их "резервуаром" для инфекции мочевыводящих путей.
Хотя причиной CAUTI может быть множество инфекционных агентов, авторы сосредоточились на P. mirabilius, учитывая, что в сочетании с 10-44% частотой встречаемости в CAUTI, он особенно часто упоминается как причина закупорки катетера. Они обнаружили, что при использовании их прототипа фотонного катетера биопленка P. mirabilius была подавлена при лучевой нагрузке 192-345 Дж/см2. Когда они увеличили лучевую нагрузку до 1700 Дж/см2, было достигнуто полное ингибирование. Кроме того, они обнаружили 98% ингибирование биопленки в просвете катетера при применении aBL (30-50 мВт/см2; 324-540 Дж/см2), что позволило авторам предположить, что это может быть практичным и экономически эффективным подходом для профилактики формирования биопленок и, соответственно, закупорки катетера.
В мета-анализе девяти недавно опубликованных работ, Lawrence et al. исследовали обеззараживание E. coli с помощью aBL. В отобранных работах различные патогенные и непатогенные штаммы E. coli подвергались воздействию длин волн от 395 до 460 нм. Для проведения пяти мета-анализов использовалось Кокрановское программное обеспечение для мета-анализов (Review Manager): один включал все исследования, касающиеся уменьшения количества кишечной палочки, и четыре подгрупповых анализа. Они учитывали интенсивность, длину волны и дозу облучения, а также серовары.
Авторы использовали модели случайных эффектов. Во всех исследованиях для оценки эффективности aBL использовалось определение количества КОЕ. Облучение синим светом оказало значительное влияние на количество жизнеспособных подсчитанных кишечных палочек. Однако среди включенных исследований не наблюдалось однородности данных. Авторы также сообщили, что среди подгрупп интенсивность и длина волны показали влияние на снижение количества E. coli. Кроме того, среди включенных исследований была отмечена значительная неоднородность в отношении всех подгрупп сероваров/патогенов.
На основании мета-анализа авторы пришли к выводу, что нет убедительных доказательств для рекомендации соответствующей интенсивности, длины волны и дозы облучения для поверхностной деконтаминации синим светом в контексте медицинской или пищевой безопасности. Нет четкой информации как о подготовке инокулята, так и об используемых параметрах исследования. E. coli может быть ингибирована с помощью синего света, однако авторы предложили усовершенствовать протоколы для будущих исследований. Показано, что интенсивность и длина волны оказывают наиболее сильное воздействие среди подгрупп.
В заключение следует отметить, что из исследований, представленных в рамках данного обзора, видно, что в области биофотоники достигнуты большие успехи: изучаются новые и быстрые диагностические подходы к лечению. Кроме того, новые и эффективные стратегии лечения на основе света, которые в настоящее время исследуются, несомненно, вносят свой вклад в наш арсенал в борьбе с резистентностью к противомикробным препаратам.
