袁 瑤,劉子泉 綜述 丁 輝 審校
光動(dòng)力抗菌化學(xué)療法治療創(chuàng)傷感染的動(dòng)物模型及療效研究進(jìn)展
袁 瑤,劉子泉 綜述 丁 輝 審校
抗生素的濫用致細(xì)菌耐藥性問(wèn)題日益嚴(yán)重,創(chuàng)傷感染的治療也愈具挑戰(zhàn),目前針對(duì)耐藥菌的治療中光動(dòng)力抗菌化學(xué)療法(photodynamic antimicrobial chemotherapy,PACT)是一種很有發(fā)展前景的新策略。筆者就PACT在治療創(chuàng)傷感染的動(dòng)物模型、特點(diǎn)及各種光敏劑療效進(jìn)行歸納,以利于研究者選擇適宜的模型工具、對(duì)同類光敏劑或動(dòng)物模型的治療療效進(jìn)行平行比較。
光動(dòng)力抗菌化學(xué)療法;動(dòng)物模型;創(chuàng)傷感染;抗菌療效
青霉素的問(wèn)世開(kāi)啟了抗生素的“黃金時(shí)代”,然而病原微生物種類多樣且變異迅速,新抗生素的研發(fā)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上病原微生物的變異步伐,再加上抗生素的濫用導(dǎo)致部分病原微生物出現(xiàn)了耐藥性,尤其是“超級(jí)細(xì)菌”出現(xiàn)引起了世界的警覺(jué)甚至恐慌,因此,新型不易產(chǎn)生耐藥性的抗菌藥物和抗菌方法的研究已經(jīng)迫在眉睫[1]。光動(dòng)力滅菌法因其抗菌譜廣、不易產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)勢(shì)已成為當(dāng)前最有前途的新型抗耐藥菌的治療方式之一[2],也被譽(yù)為“抗生素時(shí)代的終結(jié)者”[3]。
PACT依賴于光敏劑產(chǎn)生的活性氧物質(zhì)對(duì)靶細(xì)胞的細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)、細(xì)胞核或其他細(xì)胞成分氧化損傷而產(chǎn)生光動(dòng)力活性[4]。目前已被國(guó)內(nèi)外批準(zhǔn)上市的多種光敏藥物多用于腫瘤、老年性眼底黃斑病變及光角化病等光動(dòng)力治療[5],而對(duì)感染的臨床治療卻處于空白階段,因此,越來(lái)越多的抗感染實(shí)驗(yàn)研究蓬勃發(fā)展[6]。藥物研發(fā)需合適的動(dòng)物模型,為方便研究者根據(jù)實(shí)際需求選擇適宜的模型工具,筆者就PACT在治療創(chuàng)傷合并感染的動(dòng)物模型、特點(diǎn)及各種光敏劑對(duì)其療效進(jìn)行歸納。
感染模型在動(dòng)物的選擇上存在著一些趨勢(shì),如最近PubMed上發(fā)表的18篇關(guān)于運(yùn)用PACT介導(dǎo)的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)文章,有14篇選用Balb/c小鼠作為模型動(dòng)物,僅有4篇選用Wistar大鼠、豚鼠及金色小倉(cāng)鼠為模型動(dòng)物。大動(dòng)物模型在PACT領(lǐng)域還沒(méi)被大量研究,這也為以后PACT研究提供了一個(gè)新方向[6]。動(dòng)物模型以Balb/c小鼠居多,這可能與Balb/c小鼠為純系實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、個(gè)體差異較小、免疫低下、造模成功率較高、一般無(wú)相互侵襲性及價(jià)格成本較低有關(guān)。但從感染模型的建造及后期光動(dòng)力藥物治療療效評(píng)價(jià)考慮,無(wú)論何種模型動(dòng)物均應(yīng)為單籠飼養(yǎng),且保證足夠的食物和水,動(dòng)物的生長(zhǎng)環(huán)境一般為(20±2)℃。感染愈合過(guò)程與年齡有很大關(guān)系,研究也證明了老齡動(dòng)物傷口愈合速度明顯延遲[7,8],但是目前PACT治療動(dòng)物體內(nèi)感染的研究中一般都選擇年幼或生長(zhǎng)發(fā)育期的動(dòng)物作為研究工具,這對(duì)于研究感染在不同年齡群體的愈合過(guò)程還具有一定的局限性。
皮膚創(chuàng)傷可引起皮下組織感染,在PACT治療動(dòng)物體內(nèi)感染的模型選擇上幾乎全為皮膚創(chuàng)傷合并感染模型。皮膚創(chuàng)傷合并感染動(dòng)物模型是以人類創(chuàng)傷發(fā)生的原因來(lái)建立的,從宏觀水平肉眼觀察愈合過(guò)程中所出現(xiàn)的癥狀(如皮膚潰瘍、局部缺血或壞死、傷口不愈及愈后產(chǎn)生瘢痕等),微觀水平評(píng)價(jià)傷口愈合效果(如提取創(chuàng)傷組織RNA、收集傷口滲出物、對(duì)痂下組織進(jìn)行菌量計(jì)數(shù)等)來(lái)探究傷口愈合過(guò)程中的病理和生化指標(biāo)變化,進(jìn)而為探究傷口愈合機(jī)理及藥物研發(fā)提供依據(jù)[9,10]。皮膚創(chuàng)傷合并感染動(dòng)物模型大致可分為四種:皮膚切除感染模型、皮膚燒傷感染模型、皮膚擦傷感染模型和褥瘡感染模型。菌株的選擇大致分為兩種,即為革蘭陽(yáng)性菌和(或)革蘭陰性菌[6]。
2.1 皮膚切除感染模型 該模型主要指全層皮膚切除合并感染,即用打孔器、剪刀、手術(shù)刀或電刀等工具將皮膚的表皮和真皮切除,不破壞或破壞皮下筋膜層和肌肉,然后在傷口局部滴加菌株。該類創(chuàng)傷模型的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單,創(chuàng)傷原因明確,根據(jù)造模方法又可分為急性感染模型和慢性感染模型。
2.1.1 急性感染模型 2002年,Hamblin等[10]首次報(bào)道了運(yùn)用PACT療法治療皮膚切除傷口合并感染的動(dòng)物實(shí)驗(yàn),其中細(xì)菌為基因工程發(fā)光細(xì)菌,這也開(kāi)啟了聯(lián)合使用生物發(fā)光細(xì)菌和敏感的光學(xué)成像系統(tǒng)建立一種直接、實(shí)時(shí)、連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)小鼠皮膚創(chuàng)口感染模型的先河。研究人員以濃度為100 μM的多聚賴氨酸二氫卟吩螯合物e6(poly-L-lysine-chlorin e6,PL-Ce6)結(jié)合波長(zhǎng)為665 nm、能量密度為160 J/cm2的激光照射治療被5×106/ml的大腸埃希菌感染的小鼠皮膚創(chuàng)面。結(jié)果顯示由PL-Ce6介導(dǎo)的PACT治療傷口細(xì)菌失活率可達(dá)到99%,且與其他局部抗/殺菌劑(如硝酸銀、莫匹卡星、多黏菌素B)相比不危害宿主組織,細(xì)菌不對(duì)其產(chǎn)生抵抗。2003年,Hamblin等[11]再次報(bào)道運(yùn)用與上述同結(jié)構(gòu)的光敏藥物PL-Ce6介導(dǎo)的PACT方法治療感染銅綠假單胞菌的小鼠傷口。造模方法、單個(gè)傷口面積及所用菌量與上述報(bào)道相同,但光敏藥物PL-Ce6的濃度提高到200 μM,能量密度增加至240 J/cm2。研究發(fā)現(xiàn),PACT治療組小鼠細(xì)菌失活率可達(dá)99%;未治療組小鼠第5天全部死亡,而PACT治療組存活率達(dá)90%;與滴加50 μl同等劑量的0.5% AgNO3治療小組相比,PACT治療組小鼠傷口愈合速度明顯加快。我國(guó)學(xué)者Lu等[12]也曾在小鼠身上制造皮膚全層切除立即分別感染奇異變形桿菌和銅綠假單胞菌模型驗(yàn)證了新型富勒烯光敏藥物BF6的體內(nèi)抗菌療效。
2.1.2 慢性感染模型 Simonetti等[13]研究了新型酞菁類抗菌藥物苯二甲藍(lán)氯化物介導(dǎo)的PACT治療耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus,MRSA)引起的小鼠感染模型。用蘸有5×107/ml細(xì)菌的薄紗覆蓋傷口,感染的第2天在傷口局部均勻涂抹0.3%的RLP068/Cl凝膠,采用波長(zhǎng)為698 nm、能量密度為60 J/cm2的激光光源進(jìn)行照射,結(jié)果顯示PACT治療組細(xì)菌數(shù)量與未經(jīng)治療的對(duì)照組相比,顯著下降約31og10。在感染的第9天,與抗生素替考拉寧組相比,PACT治療組細(xì)菌數(shù)量顯著下降約21og10。組織學(xué)檢查顯示PACT治療組表現(xiàn)出一個(gè)連續(xù)的、完整的再上皮化過(guò)程。Nafee等[14]利用該模型驗(yàn)證了以金絲桃素為依托、以納米粒為載體而合成的兩性分子共聚物金絲桃素納米制劑的藥效。此外,F(xiàn)u等[15]也用此類模型驗(yàn)證了新型β-內(nèi)酰胺類光敏藥物的藥效。
2.2 皮膚燒傷感染模型 燒傷是指由外界溫度在55℃以上的火焰、熱液、氣體或某些特殊的化學(xué)物質(zhì)等與皮膚接觸足夠長(zhǎng)的時(shí)間所引起的皮膚組織或黏膜的損傷。和其他皮膚損傷相比,燒傷較易合并感染,一方面是因?yàn)槠淦茐钠つw屏障功能、血流供應(yīng),繼而導(dǎo)致免疫抑制;另一方面,溫?zé)岢睗竦沫h(huán)境也是細(xì)菌孵育的“溫床”[2,3]。燒傷合并感染模型一般選擇在動(dòng)物背部用一定面積的熱金屬銅塊燙傷局部皮膚,燒傷面積占動(dòng)物體表面積的5%~50%,燙傷時(shí)間為3~30 s,從而形成不同深度的燒傷模型,隨后在局部傷口滴加目標(biāo)菌株[16]。PACT介導(dǎo)的此類模型體內(nèi)實(shí)驗(yàn)大多選擇燙傷時(shí)間為10 s以建立三度燒傷。該創(chuàng)傷模型的優(yōu)點(diǎn)在于創(chuàng)傷分級(jí)明確,不足之處為:(1)操作較復(fù)雜,除準(zhǔn)備熱銅塊以外還得在造模結(jié)束后給予補(bǔ)液;(2)創(chuàng)傷原因不明確、愈合觀察時(shí)間較長(zhǎng),因?yàn)闊齻粌H可造成皮膚變性壞死,還可導(dǎo)致血細(xì)胞和淋巴細(xì)胞變性,以致血管和淋巴管堵塞,造成燒傷組織修復(fù)區(qū)域的營(yíng)養(yǎng)不良。
Orenstein等[17]使用豚鼠建立三度燒傷模型研究了卟啉氯化血紅素復(fù)合物介導(dǎo)的PACT對(duì)108/ml的金黃色葡萄球菌感染的燒傷創(chuàng)面治療療效,發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌菌株減少了99%,但該化合物具有較強(qiáng)的暗毒性。Lambrechts等[18]用陽(yáng)離子光敏劑卟啉氯化物結(jié)合波長(zhǎng)為(635±15)nm、能量密度為210 J/cm2的紅光照射治療由108/ml的金黃色葡萄球菌感染的三度燒傷創(chuàng)面,發(fā)現(xiàn)98%以上的細(xì)菌能被殺滅,但同時(shí)觀察到治療后有細(xì)菌再生現(xiàn)象。Dai等[19]用多聚乙烯亞胺二氫卟吩螯合物e6(polyethylenimine-chlorin e6,PEI-Ce6)結(jié)合波長(zhǎng)為(660±15)nm、能量密度為240 J/cm2的激光照射治療由108/ml的多重耐藥鮑曼不動(dòng)桿菌感染的三度燒傷創(chuàng)面,發(fā)現(xiàn)感染后立即治療要比感染后1 d及2 d后再治療的療效好。同時(shí),由PEI-Ce6介導(dǎo)的PACT還可以促進(jìn)傷口愈合。Hashimoto等[20]用濃度為10 μM的竹紅菌素B金屬配合物(Hypocrellin B with lanthanide ions,HB:La+3)結(jié)合能量密度為24 J/cm2的藍(lán)光和紅光分別照射治療由3×109/ml的多重耐藥銅綠假單胞菌感染的三度燒傷創(chuàng)面,結(jié)果顯示HB:La+3結(jié)合藍(lán)光和紅光的治療組能延遲菌血癥的發(fā)生,使血液中細(xì)菌含量減少2~31og10,提高感染后24 h內(nèi)小鼠生存率,有趣的是由藍(lán)光激發(fā)的PACT組要比由紅光激發(fā)的PACT組小鼠生存率更高。Huang等[21]也運(yùn)用三度燒傷合并感染鮑曼不動(dòng)桿菌模型驗(yàn)證了新型C70富勒烯衍生物光敏藥物L(fēng)C17、LC18的體內(nèi)抗菌療效,且LC18在體內(nèi)抑菌方面略顯優(yōu)勢(shì),因?yàn)樵谕葪l件下LC17介導(dǎo)的PACT在治療后的第4天有菌量反彈現(xiàn)象并持續(xù)到第6天,而LC18組治療后未觀察到反彈現(xiàn)象。
2.3 皮膚擦傷感染模型 該模型只破壞動(dòng)物表皮,由于小鼠皮膚較薄,表皮和真皮較難分離,建立該模型是用針狀物進(jìn)行皮膚的劃拉。該創(chuàng)傷模型的優(yōu)點(diǎn)在于創(chuàng)傷較小,愈合時(shí)間較快,但操作要求較高。我國(guó)Dai 等[22]最早運(yùn)用此模型,其在小鼠背部制造了面積為1 cm×1 cm的6×6十字交叉?zhèn)?,以菌量?08/ml的MRSA進(jìn)行感染,用濃度為400 μM的PEI-ce6結(jié)合波長(zhǎng)為(600±15)nm的非相干光源進(jìn)行治療。與未治療組相比,PACT組菌量下降了2.7log10,傷口愈合時(shí)間縮短了8.6 d。Vecchio等[23]用同等濃度400 μM的RLP068/Cl和甲苯胺藍(lán)(toluidine blue O,TBO)結(jié)合激光治療由108/ml的MRSA感染的小鼠擦傷傷口。與TBO介導(dǎo)的PACT治療組及未治療組相比,由RLP068/Cl介導(dǎo)的PACT治療組MRSA被有效殺死(從治療開(kāi)始至結(jié)束后10 min內(nèi),RLP068/Cl介導(dǎo)的PACT治療組菌量下降2.91og10,TBO介導(dǎo)的PACT治療組菌量下降1.0log10)并可抑制其再生,同時(shí)也可促進(jìn)傷口的愈合(治療后4~9 d,RLP068/Cl介導(dǎo)的PACT治療組傷口愈合面積為78%,TBO介導(dǎo)的PACT治療組為24%,非治療組為0)。隨后Zhang等[24]也運(yùn)用皮膚擦傷感染60 μl 107菌落形成單位鮑曼不動(dòng)桿菌模型驗(yàn)證了新型C60富勒烯光敏藥物L(fēng)C16的體內(nèi)抗菌療效。
2.4 皮膚褥瘡感染模型 褥瘡是機(jī)體某一部位長(zhǎng)期受壓使血液循環(huán)受阻,發(fā)生持續(xù)的缺血缺氧和營(yíng)養(yǎng)不良而致的皮膚和深部組織潰瘍,在長(zhǎng)期臥床及全身營(yíng)養(yǎng)不良的老人中較為常見(jiàn)。在目前發(fā)表的文獻(xiàn)中,該模型還比較少見(jiàn),但不排除這會(huì)成為未來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。該創(chuàng)傷模型要求制備特殊壓力裝置,對(duì)組織損傷較大,造模時(shí)間較長(zhǎng)。2013年,Lanzafame等[25]闡述了褥瘡潰瘍感染模型的建造及PACT療法的抗菌效果。其在小鼠皮下置入金屬片,皮膚表面施加磁鐵,施壓12 h解壓12 h造成缺血再灌注,連續(xù)3 d,以菌量為108/ml 的MRSA進(jìn)行感染,新型以膠原包被的黃素類光敏劑(photoactivated collagen-embedded flavins,PCF)覆于傷口表面并結(jié)合(455±5)nm的光源照射治療。與未治療組相比,在治療24 h后時(shí),PACT組傷口細(xì)菌數(shù)顯著減少且有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,減少菌量約為2log10,同時(shí)證實(shí),PCF介導(dǎo)的PACT還可以抑制細(xì)菌再生。
創(chuàng)傷感染模型為抗微生物藥物的開(kāi)發(fā)及創(chuàng)傷愈合過(guò)程的研究提供了一個(gè)可靠工具。隨著新型光敏藥物的不斷合成,選擇合適的動(dòng)物模型驗(yàn)證其體內(nèi)抗菌療效并與同類光敏藥物抗菌療效進(jìn)行比較將是必不可少的工作。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多選擇皮膚切除急性感染模型、三度燒傷感染模型,同種模型制造方法大致相似,并且大多是在小鼠背部制造一個(gè)傷口單一細(xì)菌進(jìn)行感染,但也有創(chuàng)新,趙占娟[26]就曾在大鼠背部制造4個(gè)創(chuàng)口用三種細(xì)菌混合感染。因所選模型不同,所用光敏藥物結(jié)構(gòu)及用量、濃度不同,所感染菌株或同一菌株耐藥性不同,所使用激光相應(yīng)波長(zhǎng)、能量不同,都使得目前療效比較無(wú)法進(jìn)行??刂破渌绊懽兞繉?duì)單一變量療效進(jìn)行比較,也將是學(xué)者以后研究的一大領(lǐng)域。
雖然目前PACT療法在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)這一模塊上還存在許多不足,如選擇的動(dòng)物體型較小、年齡偏小,褥瘡潰瘍模型切開(kāi)皮膚對(duì)自身造成損傷較大,抗菌療效及傷口愈合時(shí)間還達(dá)不到最完美效果,某些光敏藥物暗毒性較高等,但正是由于這些不完美才提供了研究者們不斷向前的動(dòng)力。筆者相信通過(guò)不斷改善,PACT療法在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)這一部分將逐漸完善。
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(2015-01-12收稿 2016-04-13 修回)
(責(zé)任編輯 張亞麗)
Research progress on animal model and therapeutic effect of photodynamic antimicrobial chemotherapy in treatment of traumatic infection
YUAN Yao,LIU Ziquan,and DING Hui.Institute for Disaster and Emergency Rescue Medicine,Affiliated Hospital to Logistics University of Chinese People’s Armed Police Forces,Tianjin 300162,China
DING Hui,E-mail:huidingah@163.com
Due to the abuse of antibiotics,bacterial resistance has become a more and more serious problem and the treatment of wound infections are suffering more challengs,whereas photodynamic antimicrobial chemotherapy (PACT)is a promising novel strategy for the treatment of resistant bacteria.This paper reviews recent development of different animal models of traumatic infections,its characters and therapeutic efficacy of photosensitizers in vivo,which aims to provide evidence for optimal application of these models,and for parallel comparison of therapeutic efficacy of the same kind of photosensitizers or animal models.
photodynamic antimicrobial chemotherapy;animal models;traumatic infection;antimicrobial efficacy
R965.7
10.13919/j.issn.2095-6274.2016.04.012
天津市自然科學(xué)基金(15JCYBJC28500)
天津市衛(wèi)生局科技基金(2015KZ123);
武警后勤學(xué)院附屬醫(yī)院基金(FYM201418)
袁 瑤,碩士研究生在讀,E-mail:825150601@qq.com
300162 天津,武警后勤學(xué)院附屬醫(yī)院救援醫(yī)學(xué)研究所
丁 輝,E-mail:huidingah@163.com