用于治疗革兰氏阴性皮肤细菌感染的可穿戴辅助臭氧和抗生素治疗系统

抽象的

皮肤和软组织感染率的上升以及危及生命的抗生素耐药性感染率的增长带来的问题组合对医疗保健行业提出了紧迫的、未满足的需求。这些进化抗性源于细菌细胞壁的突变，这些突变阻止了抗生素的有效扩散。由于细胞壁独特的双层结构，革兰氏阴性细菌对许多常见抗生素具有天然抗性，因此需要特别考虑。这里开发的系统通过一种可穿戴疗法为这个问题提供了一种解决方案，该疗法通过一种具有药物洗脱纳米纤维 (NFs) 的新型敷料来传递和利用气态臭氧作为局部抗生素的辅助疗法。该技术通过使用氧化臭氧绕过细菌细胞壁产生的抗性，大大提高了革兰氏阴性细菌对常见抗生素的敏感性。为了能够简单有效地应用辅助治疗，臭氧输送和局部抗生素已被整合到一个单一的应用贴片中。药物递送 NF 是通过静电纺丝在快速溶解的 PVA 垫中产生的，而不会降低敷料的透气性。一项系统研究发现，4 mg/h 的臭氧产生提供了很佳的臭氧水平，以实现高抗菌性能和很小的细胞毒性。这种臭氧处理与系统在体外提供的辅助治疗一起使用。结果显示，使用臭氧和通常仅用于革兰氏阳性菌的抗生素完全根除革兰氏阴性菌，这表明臭氧作为辅助治疗选择的强度，可以使细菌菌株对其他无效的抗生素敏感。此外，通过生物相容性测试表明该治疗对人成纤维细胞没有细胞毒性作用。

介绍

       在医疗保健行业，皮肤或其他软组织感染是导致患者发病的一个日益严重的原因。这些皮肤和软组织感染 (SSTI) 经常感染压疮 (PU) 或糖尿病足溃疡 (DFU)，是全球伤口护理市场的一部分，预计 2022 年将达到 150 亿美元，并将增加到超过到 2024 年将达到 220 亿美元。在美国，SSTI 是 3.5% 的急诊室就诊的原因，患者每次住院平均花费 8000 美元。由于糖尿病等慢性疾病的流行和人口老龄化，预计这些数字将在未来几年进一步增加。在美国，3420 万人（约占人口的 10%）患有糖尿病 。在全球范围内，估计每年约有 2% 的成年糖尿病患者会发生 DFU，导致每年 910 万例，其中约一半的 DFU 会被感染 。这种感染通常会导致伤口愈合减少和其他疾病，如骨髓炎、全身感染、截肢风险增加和死亡。

        SSTI 感染的典型治疗，包括 PUs DFUs 中的感染，包括使用抗生素。虽然这种治疗方法在许多情况下能够减少细菌负荷，但它无助于促进伤口的早期愈合。此外，细菌对抗生素的耐药性是一个日益严重的全球性问题，进一步降低了当前治疗方法的有效性 。革兰氏阴性 (G − ve) 细菌表现出对许多抗生素治疗的天然抗性，这是因为细胞结构中有一层额外的外膜，可防止许多抗生素在细胞内达到其预期目标，并且可以更容易地改变以产生新的抗性 .这导致多重耐药 G − ve 细菌的数量和严重程度增加，以至于世界卫生组织 (WHO) 仅将 G − ve 细菌列入其需要很紧急解决方案的抗生素耐药菌株列表。这个问题更加令人担忧，因为新的抗微生物药物的开发和批准可有效治疗多药耐药的 G − ve 病原体并没有跟上细菌新耐药性的持续出现。这是由于药物开发的漫长、昂贵和高风险的过程会抑制生产，并且要承受市场监管批准的艰巨任务。因此，迫切需要开发 SSTI 的替代治疗方案。

       这种巨大的需求导致对许多替代疗法的研究，这些疗法可用于对抗由剧毒 G − ve 细菌菌株引起的感染。其中很流行的是使用冷大气等离子体 (CAP)、金属纳米粒子 (NPs) 和气态臭氧。先前使用 CAP 的研究表明，产生的电离颗粒表现出令人鼓舞的抗菌特性，还有助于促进伤口的愈合因子。不幸的是，这些系统需要专业设备和训练有素的人员才能发挥作用，这阻碍了将该技术用于频繁治疗。金属纳米粒子，例如由铜和银制成的纳米粒子，也因其强大的抗菌特性而得到了广泛的研究。尽管基于纳米粒子的金属已在局部伤口治疗中得到广泛应用，但它们的主要缺点是对天然组织的高毒性。更令人震惊的是一些 G − ve 细菌菌株对银形成抗性的报告。此外，正在使用新型材料开发抗菌贴片，例如用于微针贴片和纳米纤维垫的壳聚糖。这些贴片被用作伤口愈合因子和抗菌物质的递送方法，以促进伤口健康。虽然此类系统和平台为更有效和更深入地递送治疗剂提供了新途径，但它们通常具有有限量的药物，这使得它们对于慢性伤口的频繁应用是不切实际的。此外，这些系统仍然使用常见的抗生素和纳米颗粒，它们分别由于细菌耐药性和细胞毒性而在其有限的应用中持续存在。另一方面，多年来，气态臭氧已被证明是一种强大、安全且易于使用的替代处理方法。研究表明，局部应用气态臭氧可有效消除多种有害微生物，包括细菌、病毒、真菌等。这是由于其天然强烈的氧化倾向，通过施加的氧化应激作用削弱细菌细胞的外膜。臭氧作为抗菌剂的历史性成功导致了广泛的临床应用研究。许多体外测试都集中在利用高浓度臭氧（0.6-20 μg/mL）。结果表明，在这样的水平下，臭氧能够在非常短的暴露时间内消除细菌。已研究的臭氧的另一个好处是它能够刺激细胞中的早期伤口愈合活动，这也与氧化应激的应用有关。尽管高浓度治疗能够更快地治疗感染，但它们也需要特殊的设备和设施，并且会因过度暴露而损害健康组织。然而，更多原因是电子系统和电力光系统的进步提供了通过小型电晕放电系统产生相对较低浓度的臭氧的能力。这种系统可以提供独特的可能性，通过便携式生成方法向目标伤口部位提供更持久和低水平的臭氧，这消除了对专业设备和训练有素的人员的需求，并大大降低了损害健康细胞的风险。

       除了将臭氧疗法用作独立疗法外，还提出将臭氧作为辅助疗法与当前抗生素相结合将显着提高两种疗法的性能，尤其是针对 G − ve 细菌的耐药菌株。先前已通过电穿孔、活性氧 (ROS) 的化学光合作用和腹膜内注射臭氧对使用辅助疗法来提高抗生素疗效进行了研究。抗生素在这种联合治疗系统中的增强功效已被解释为抗生素通过二次处理增加扩散到细菌细胞中的过程，该二次处理破坏了细菌细胞的外膜。虽然这些方法已显示出积极的初步结果，但每种方法都有很大的局限性，包括由于电穿孔的细胞毒性而导致的穿透深度有限、ROS 光生成所需的化学合成以及臭氧注射的侵入性程序。通过可穿戴贴片应用的局部臭氧可以通过氧化细胞膜提供相同的协同特性，并为抗生素创造孔进入细胞44。这种技术在辅助治疗和抗生素治疗之间产生协同效应方面是有效的。这种治疗的另一个好处是受损的细菌膜将增加可用抗生素治疗选择的数量。由于外膜防御的减少，这是革兰氏阳性 (G + ve) 和 G − ve 菌株之间的主要区别，预计辅助臭氧疗法将使通常对 G + ve 有效的抗生素能够有效地处理 G − ve 菌株。使用臭氧绕过 G − ve 细菌的内在或发展的抗生素抗性将使当前抗生素技术的长期使用成为可能。这两种联合疗法还将减少抗生素和臭氧的剂量，限制高浓度臭氧暴露对健康的负面影响，并减缓新抗生素耐药性的产生速度。

便携式辅助臭氧和局部抗生素治疗系统。( a ) 臭氧伤口治疗系统，旨在对皮肤伤口进行辅助臭氧和抗生素治疗。系统由便携式臭氧发生系统和用于臭氧输送的微型鼓风机和用于抗生素输送的药物洗脱 PVA 纳米纤维多孔网组成。便携式可充电系统安装在定制外壳上，并利用板载低功率电子设备。( b ) 便携式系统产生的臭氧浓度与质量产生率的关系。误差线表示标准偏差。

       在这里，我们描述了一种新型综合治疗系统的开发，用于对感染的皮肤伤口进行局部辅助臭氧和抗生素治疗，特别是那些由需要新型抗菌剂的耐药 G − ve 细菌引起的伤口。该系统由两部分组成，一个便携式臭氧发生装置和一个用于与伤口表面连接的一次性应用贴片。臭氧发生系统包含一个低功率臭氧发生器和微型鼓风机，由板载电池组和微控制器控制，可控制 0 至 4 mg/h 的臭氧输送。伤口贴片具有三层结构，包含一个内部扩散层，通过使气流通过孔的物理扩散来实现更均匀的臭氧应用，一个疏水和透气的膜，用于防止液体吸收到敷料中，以及一个可生物降解的用于抗生素局部应用的纳米纤维 (NF) 药物洗脱网。这将创建一个完全集成的系统，以使用气态臭氧对抗生素进行局部辅助治疗。贴片直接应用于伤口部位。在那里，生物可溶性聚合物纤维在与伤口床接触时分解并将抗生素有效载荷局部释放到伤口。同时，气态臭氧从便携式外部臭氧发生系统通过附着的贴片泵送到伤口表面，如图 1 所示，提供额外的抗菌作用并通过由于细菌的氧化部分增加扩散而增加抗生素效果膜。

       可穿戴辅助臭氧和局部抗生素治疗系统。 (a) 臭氧和抗生素辅助疗法可用作对传统疗法无反应的皮肤和软组织感染的替代疗法。臭氧提供抗菌特性，使抗生素能够进入细胞并破坏细胞功能，例如蛋白质生产。 (b) 该系统利用气态臭氧和透气性和药物洗脱纳米纤维垫在以下过程中治疗发展中的伤口： (i) 将药物洗脱纳米纤维网和透气膜的一体化伤口贴片应用于皮肤伤口。 (ii) NFs 开始溶解并释放局部抗生素。 (iii) 由于局部抗生素完全从 NF 中释放出来，因此在整个治疗期间将臭氧应用于系统。臭氧和抗生素共同作用以消除感染。 (iv)一旦伤口愈合，将伤口贴片从该区域移除。臭氧和抗生素治疗相结合可以治疗抗生素耐药性感染并防止新感染的发展，从而加快愈合时间。

       为了使系统有效，考虑了以下工程标准。首先，系统的便携性对于确保患者能够长时间接受治疗而不受临床设备或不可移动系绳的限制非常重要，这样患者就可以在家中轻松地自行用药，而不会干扰他们的生活方式。便携式电源能够为单个发生器供电，产生 0-4 mg/h 的臭氧，或两个发生器产生 0-8 mg/h 的臭氧。为了确定很佳臭氧生成速率，对臭氧在不同生成速率下的抗菌和生物相容性特性进行了系统研究。其次，优化的臭氧系统与外用抗生素联合进行了测试，以研究在生理相关条件下对 G − ve 细菌治疗的协同增强作用。这些治疗的重点是利用臭氧使 G − ve 细菌对 G + ve 病原体常用的抗生素敏感。因为气态臭氧和抗生素的应用必须能够同时存在，抗生素的典型局部给药，例如乳膏，会形成臭氧扩散的障碍。因此，报告的系统使用一层可生物溶解的纳米纤维 (NFs) 来局部递送抗生素。在这项研究中，我们选择了两种用于治疗 G + ve 感染的常见抗生素，万古霉素和利奈唑胺，作为概念验证。研究表明，臭氧和这些抗生素的组合可以显着提高治疗效果。因此，有理由相信臭氧是赋予先前耐药抗生素新生命的关键辅助治疗。此外，该系统旨在通过使用低成本材料（一次性贴片成本： < $2.50）和易于在临床环境中实施的局部治疗方法，将产品通过临床试验推向市场。