Recubrimiento antimicrobiano para implantes ortopédicos previene infecciones peligrosas

Ingenieros y cirujanos biomédicos de la Universidad de Duke y UCLA presentaron un recubrimiento antibiótico que, al aplicarse en implantes ortopédicos minutos antes de la cirugía, elimina las posibilidades de una infección alrededor del implante.

En los primeros ensayos en ratones, este recubrimiento previno todas las infecciones posteriores, incluso sin infusiones de antibióticos en el torrente sanguíneo, que es el estándar de atención actual. Luego de 20 días, el recubrimiento no redujo la capacidad del hueso para fusionarse con el implante y fue completamente absorbido por el cuerpo.

Personalizable para pacientes individuales, requiere menos de 10 minutos para prepararse y ser usado. Este nuevo recubrimiento de implante quirúrgico previno el 100% de las infecciones en ratones.

Hace tiempo Tatiana Segura, profesora de ingeniería biomédica en Duke, comentaba con Nicholas Bernthal, presidente interino y director médico ejecutivo de la Facultad de Medicina David Geffen de UCLA (especializado en oncología y cirugía ortopédica pediátrica), que a muchos niños con cáncer en los huesos se les debía extraer una gran parte del hueso y por lo que luego requieren implantes ortopédicos. Pero, dado que estos pacientes también suelen recibir quimioterapia, su sistema inmune es débil y son vulnerables a las bacterias que colonizan la superficie del implante.

“Estos niños enfrentan la opción de recibir quimioterapia en lugar de salvar su extremidad y, a veces, necesitan amputaciones para sobrevivir, lo que me suena horrible”, dijo Segura. “Lo que realmente necesitan es algo para frotar sobre el implante para evitar que se produzca una infección, porque prevenir una infección es mucho más fácil que tratarla. Así que se nos ocurrió esta tecnología de recubrimiento que, esperamos, provea una solución”.

No obstante, las infecciones por implantes no son exclusivas de los niños ni de los pacientes con cáncer. Para las cirugías de reemplazo de articulaciones, por ejemplo, la infección ocurre en 1% de las cirugías primarias y hasta en 7% de las cirugías de revisión, lo que requiere cirugías de revisión repetidas y esquemas de antibióticos intravenosos prolongados. Sin embargo, el tratamiento no siempre funciona, ya que estos pacientes tienen un mayor riesgo de mortalidad a cinco años que los diagnosticados con VIH/SIDA o cáncer de mama. Se estima que las infecciones por implantes le cuestan al sistema de atención médica más de $8.6 mil millones de dólares al año solo en los Estados Unidos.

Parte del desafío de tratar estas infecciones es que las bacterias colonizan la superficie de los propios implantes. Esto significa que no hay vasos sanguíneos que fluyan a través de las colonias bacterianas para administrar los antibióticos que circulan por las venas del paciente. A menudo, el único recurso es la extracción del implante original, que suele ser la mejor de otras malas opciones.

Algunos médicos han optado por sus propias soluciones, como usar antibióticos en polvo al cerrar la herida quirúrgica o infundir antibióticos con el cemento óseo utilizado para mantener el implante en su lugar. Ninguna de estas tácticas ha mostrado ser clínicamente eficaz. También existe la opción de que los fabricantes de implantes agreguen propiedades antibióticas a sus dispositivos, pero esto reduce la vida útil del producto y también requiere un proceso largo y complicado de aprobación de la FDA, ya que los implantes estarían en una nueva clasificación.

Química de clic y liberación de antibióticos

“Hemos demostrado que un recubrimiento liberador de antibióticos en el lugar de atención protege los implantes del desafío bacteriano y se puede aplicar de manera rápida y segura en el quirófano sin la necesidad de modificar los implantes existentes”, dijo Christopher Hart, médico residente en Cirugía Ortopédica de UCLA que colaboró en los experimentos.

El nuevo recubrimiento antimicrobiano está compuesto por dos polímeros, uno que repele el agua y otro que se mezcla bien con este elemento. Ambos se combinan en una solución con un antibiótico de elección del médico y luego se aplican directamente al implante ortopédico por inmersión, pintura o rociado. Cuando se exponen a una luz ultravioleta brillante, los dos polímeros se acoplan y se autoensamblan en una estructura en forma de rejilla que atrapa los antibióticos.

La reacción es un ejemplo de “química de clic”, una forma general de describir las reacciones que ocurren rápidamente a temperatura ambiente, generan solo un producto de reacción, tienen un rendimiento muy alto y ocurren dentro de un solo recipiente.

“Este estudio es un gran ejemplo del poder de la química de clics en aplicaciones biomédicas", dijo Weixian Xi, hoy científico senior de Illumina, pero que fue investigador postdoctoral en UCLA durante el estudio. “Este recubrimiento polimérico 'inteligente' y 'cliqueable' permite proteger los implantes de infecciones bacterianas y posibilita un enfoque personalizado”.

“Nuestro recubrimiento se puede personalizar porque puede usar casi cualquier antibiótico”, afirma Segura. “El médico puede elegir el antibiótico en función del lugar del cuerpo en el que se implanta el dispositivo y de los patógenos que son comunes en cualquier parte del mundo en la que se realice la cirugía”.

La rejilla de polímero de química de clic también tiene afinidad por el metal. Las pruebas que involucraron varios tipos de implantes mostraron que el recubrimiento era muy difícil de quitar durante los procedimientos quirúrgicos. Sin embargo, una vez dentro del cuerpo, las condiciones hacen que el polímero se degrade, liberando lentamente los antibióticos en el transcurso de dos a tres semanas.

En el estudio, los investigadores probaron rigurosamente el recubrimiento en ratones con implantes de pierna o columna. Después de 20 días, el recubrimiento no inhibió el crecimiento del hueso en el implante y previno el 100% de las infecciones. Este periodo de tiempo, dicen los investigadores, es lo suficientemente largo para evitar que ocurran la gran mayoría de las infecciones.

El recubrimiento aún no se ha probado en animales más grandes. Dado que estos tienen huesos más grandes, necesitan implantes más grandes, y hay mucha más superficie para proteger contra las infecciones bacterianas. Pero los investigadores confían en que su invento está a la altura de la tarea y planean seguir los pasos necesarios para comercializar el producto.

"Creemos que este trabajo transdisciplinario representa el futuro de los implantes quirúrgicos, proporcionando un recubrimiento de punto de aplicación que transforma el implante de un punto caliente para la infección en un tratamiento antimicrobiano" inteligente”, dijo Bernthal. “Solo necesita tratar a un solo paciente con un implante infectado para darse cuenta de lo transformador que podría ser esto para la atención del paciente, salvando la vida y las extremidades de muchos”.