用于治療革蘭氏陰性皮膚細菌感染的可穿戴輔助臭氧和抗生素治療系統

抽象的

皮膚和軟組織感染率的上升以及危及生命的抗生素耐藥性感染率的增長帶來的問題組合對醫療保健行業提出了緊迫的、未滿足的需求。這些進化抗性源于細菌細胞壁的突變，這些突變阻止了抗生素的有效擴散。由于細胞壁獨特的雙層結構，革蘭氏陰性細菌對許多常見抗生素具有天然抗性，因此需要特別考慮。這里開發的系統通過一種可穿戴療法為這個問題提供了一種解決方案，該療法通過一種具有藥物洗脫納米纖維 (NFs) 的新型敷料來傳遞和利用氣態臭氧作為局部抗生素的輔助療法。該技術通過使用氧化臭氧繞過細菌細胞壁產生的抗性，大大提高了革蘭氏陰性細菌對常見抗生素的敏感性。為了能夠簡單有效地應用輔助治療，臭氧輸送和局部抗生素已被整合到一個單一的應用貼片中。藥物遞送 NF 是通過靜電紡絲在快速溶解的 PVA 墊中產生的，而不會降低敷料的透氣性。一項系統研究發現，4 mg/h 的臭氧產生提供了很佳的臭氧水平，以實現高抗菌性能和很小的細胞毒性。這種臭氧處理與系統在體外提供的輔助治療一起使用。結果顯示，使用臭氧和通常僅用于革蘭氏陽性菌的抗生素完全根除革蘭氏陰性菌，這表明臭氧作為輔助治療選擇的強度，可以使細菌菌株對其他無效的抗生素敏感。此外，通過生物相容性測試表明該治療對人成纖維細胞沒有細胞毒性作用。

介紹

       在醫療保健行業，皮膚或其他軟組織感染是導致患者發病的一個日益嚴重的原因。這些皮膚和軟組織感染 (SSTI) 經常感染壓瘡 (PU) 或糖尿病足潰瘍 (DFU)，是全球傷口護理市場的一部分，預計 2022 年將達到 150 億美元，并將增加到超過到 2024 年將達到 220 億美元。在美國，SSTI 是 3.5% 的急診室就診的原因，患者每次住院平均花費 8000 美元。由于糖尿病等慢性疾病的流行和人口老齡化，預計這些數字將在未來幾年進一步增加。在美國，3420 萬人（約占人口的 10%）患有糖尿病 。在全球范圍內，估計每年約有 2% 的成年糖尿病患者會發生 DFU，導致每年 910 萬例，其中約一半的 DFU 會被感染 。這種感染通常會導致傷口愈合減少和其他疾病，如骨髓炎、全身感染、截肢風險增加和死亡。

        SSTI 感染的典型治療，包括 PUs DFUs 中的感染，包括使用抗生素。雖然這種治療方法在許多情況下能夠減少細菌負荷，但它無助于促進傷口的早期愈合。此外，細菌對抗生素的耐藥性是一個日益嚴重的全球性問題，進一步降低了當前治療方法的有效性 。革蘭氏陰性 (G???ve) 細菌表現出對許多抗生素治療的天然抗性，這是因為細胞結構中有一層額外的外膜，可防止許多抗生素在細胞內達到其預期目標，并且可以更容易地改變以產生新的抗性 .這導致多重耐藥 G???ve 細菌的數量和嚴重程度增加，以至于世界衛生組織 (WHO) 僅將 G???ve 細菌列入其需要很緊急解決方案的抗生素耐藥菌株列表。這個問題更加令人擔憂，因為新的抗微生物藥物的開發和批準可有效治療多藥耐藥的 G???ve 病原體并沒有跟上細菌新耐藥性的持續出現。這是由于藥物開發的漫長、昂貴和高風險的過程會抑制生產，并且要承受市場監管批準的艱巨任務。因此，迫切需要開發 SSTI 的替代治療方案。

       這種巨大的需求導致對許多替代療法的研究，這些療法可用于對抗由劇毒 G???ve 細菌菌株引起的感染。其中很流行的是使用冷大氣等離子體 (CAP)、金屬納米粒子 (NPs) 和氣態臭氧。先前使用 CAP 的研究表明，產生的電離顆粒表現出令人鼓舞的抗菌特性，還有助于促進傷口的愈合因子。不幸的是，這些系統需要專業設備和訓練有素的人員才能發揮作用，這阻礙了將該技術用于頻繁治療。金屬納米粒子，例如由銅和銀制成的納米粒子，也因其強大的抗菌特性而得到了廣泛的研究。盡管基于納米粒子的金屬已在局部傷口治療中得到廣泛應用，但它們的主要缺點是對天然組織的高毒性。更令人震驚的是一些 G???ve 細菌菌株對銀形成抗性的報告。此外，正在使用新型材料開發抗菌貼片，例如用于微針貼片和納米纖維墊的殼聚糖。這些貼片被用作傷口愈合因子和抗菌物質的遞送方法，以促進傷口健康。雖然此類系統和平臺為更有效和更深入地遞送治療劑提供了新途徑，但它們通常具有有限量的藥物，這使得它們對于慢性傷口的頻繁應用是不切實際的。此外，這些系統仍然使用常見的抗生素和納米顆粒，它們分別由于細菌耐藥性和細胞毒性而在其有限的應用中持續存在。另一方面，多年來，氣態臭氧已被證明是一種強大、安全且易于使用的替代處理方法。研究表明，局部應用氣態臭氧可有效消除多種有害微生物，包括細菌、病毒、真菌等。這是由于其天然強烈的氧化傾向，通過施加的氧化應激作用削弱細菌細胞的外膜。臭氧作為抗菌劑的歷史性成功導致了廣泛的臨床應用研究。許多體外測試都集中在利用高濃度臭氧（0.6-20 μg/mL）。結果表明，在這樣的水平下，臭氧能夠在非常短的暴露時間內消除細菌。已研究的臭氧的另一個好處是它能夠刺激細胞中的早期傷口愈合活動，這也與氧化應激的應用有關。盡管高濃度治療能夠更快地治療感染，但它們也需要特殊的設備和設施，并且會因過度暴露而損害健康組織。然而，更多原因是電子系統和電力光系統的進步提供了通過小型電暈放電系統產生相對較低濃度的臭氧的能力。這種系統可以提供獨特的可能性，通過便攜式生成方法向目標傷口部位提供更持久和低水平的臭氧，這消除了對專業設備和訓練有素的人員的需求，并大大降低了損害健康細胞的風險。

       除了將臭氧療法用作獨立療法外，還提出將臭氧作為輔助療法與當前抗生素相結合將顯著提高兩種療法的性能，尤其是針對 G???ve 細菌的耐藥菌株。先前已通過電穿孔、活性氧 (ROS) 的化學光合作用和腹膜內注射臭氧對使用輔助療法來提高抗生素療效進行了研究。抗生素在這種聯合治療系統中的增強功效已被解釋為抗生素通過二次處理增加擴散到細菌細胞中的過程，該二次處理破壞了細菌細胞的外膜。雖然這些方法已顯示出積極的初步結果，但每種方法都有很大的局限性，包括由于電穿孔的細胞毒性而導致的穿透深度有限、ROS 光生成所需的化學合成以及臭氧注射的侵入性程序。通過可穿戴貼片應用的局部臭氧可以通過氧化細胞膜提供相同的協同特性，并為抗生素創造孔進入細胞44。這種技術在輔助治療和抗生素治療之間產生協同效應方面是有效的。這種治療的另一個好處是受損的細菌膜將增加可用抗生素治療選擇的數量。由于外膜防御的減少，這是革蘭氏陽性 (G?+?ve) 和 G???ve 菌株之間的主要區別，預計輔助臭氧療法將使通常對 G?+?ve 有效的抗生素能夠有效地處理 G???ve 菌株。使用臭氧繞過 G???ve 細菌的內在或發展的抗生素抗性將使當前抗生素技術的長期使用成為可能。這兩種聯合療法還將減少抗生素和臭氧的劑量，限制高濃度臭氧暴露對健康的負面影響，并減緩新抗生素耐藥性的產生速度。

便攜式輔助臭氧和局部抗生素治療系統。( a ) 臭氧傷口治療系統，旨在對皮膚傷口進行輔助臭氧和抗生素治療。系統由便攜式臭氧發生系統和用于臭氧輸送的微型鼓風機和用于抗生素輸送的藥物洗脫 PVA 納米纖維多孔網組成。便攜式可充電系統安裝在定制外殼上，并利用板載低功率電子設備。( b ) 便攜式系統產生的臭氧濃度與質量產生率的關系。誤差線表示標準偏差。

       在這里，我們描述了一種新型綜合治療系統的開發，用于對感染的皮膚傷口進行局部輔助臭氧和抗生素治療，特別是那些由需要新型抗菌劑的耐藥 G???ve 細菌引起的傷口。該系統由兩部分組成，一個便攜式臭氧發生裝置和一個用于與傷口表面連接的一次性應用貼片。臭氧發生系統包含一個低功率臭氧發生器和微型鼓風機，由板載電池組和微控制器控制，可控制 0 至 4 mg/h 的臭氧輸送。傷口貼片具有三層結構，包含一個內部擴散層，通過使氣流通過孔的物理擴散來實現更均勻的臭氧應用，一個疏水和透氣的膜，用于防止液體吸收到敷料中，以及一個可生物降解的用于抗生素局部應用的納米纖維 (NF) 藥物洗脫網。這將創建一個完全集成的系統，以使用氣態臭氧對抗生素進行局部輔助治療。貼片直接應用于傷口部位。在那里，生物可溶性聚合物纖維在與傷口床接觸時分解并將抗生素有效載荷局部釋放到傷口。同時，氣態臭氧從便攜式外部臭氧發生系統通過附著的貼片泵送到傷口表面，如圖 1 所示，提供額外的抗菌作用并通過由于細菌的氧化部分增加擴散而增加抗生素效果膜。

       可穿戴輔助臭氧和局部抗生素治療系統。 (a) 臭氧和抗生素輔助療法可用作對傳統療法無反應的皮膚和軟組織感染的替代療法。臭氧提供抗菌特性，使抗生素能夠進入細胞并破壞細胞功能，例如蛋白質生產。 (b) 該系統利用氣態臭氧和透氣性和藥物洗脫納米纖維墊在以下過程中治療發展中的傷口： (i) 將藥物洗脫納米纖維網和透氣膜的一體化傷口貼片應用于皮膚傷口。 (ii) NFs 開始溶解并釋放局部抗生素。 (iii) 由于局部抗生素完全從 NF 中釋放出來，因此在整個治療期間將臭氧應用于系統。臭氧和抗生素共同作用以消除感染。 (iv)一旦傷口愈合，將傷口貼片從該區域移除。臭氧和抗生素治療相結合可以治療抗生素耐藥性感染并防止新感染的發展，從而加快愈合時間。

       為了使系統有效，考慮了以下工程標準。首先，系統的便攜性對于確保患者能夠長時間接受治療而不受臨床設備或不可移動系繩的限制非常重要，這樣患者就可以在家中輕松地自行用藥，而不會干擾他們的生活方式。便攜式電源能夠為單個發生器供電，產生 0-4 mg/h 的臭氧，或兩個發生器產生 0-8 mg/h 的臭氧。為了確定很佳臭氧生成速率，對臭氧在不同生成速率下的抗菌和生物相容性特性進行了系統研究。其次，優化的臭氧系統與外用抗生素聯合進行了測試，以研究在生理相關條件下對 G???ve 細菌治療的協同增強作用。這些治療的重點是利用臭氧使 G???ve 細菌對 G?+?ve 病原體常用的抗生素敏感。因為氣態臭氧和抗生素的應用必須能夠同時存在，抗生素的典型局部給藥，例如乳膏，會形成臭氧擴散的障礙。因此，報告的系統使用一層可生物溶解的納米纖維 (NFs) 來局部遞送抗生素。在這項研究中，我們選擇了兩種用于治療 G?+?ve 感染的常見抗生素，萬古霉素和利奈唑胺，作為概念驗證。研究表明，臭氧和這些抗生素的組合可以顯著提高治療效果。因此，有理由相信臭氧是賦予先前耐藥抗生素新生命的關鍵輔助治療。此外，該系統旨在通過使用低成本材料（一次性貼片成本：?<?$2.50）和易于在臨床環境中實施的局部治療方法，將產品通過臨床試驗推向市場。