【文献紹介#41】熱傷創感染症対策のための次世代抗菌薬

こんにちはJunonです。

昨日公開された研究論文（英語）の中から興味のあったものを一つ紹介します。

出典

タイトル：Development of next-generation antimicrobial hydrogel dressing to combat burn wound infection

著者：Zlatko Kopecki

雑誌：Biosci Rep.

論文公開日：2021年 2月26日

どんな内容の論文か？

熱傷創の感染はしばしば治癒不良、敗血症、障害、さらには死に至ることもある。従来の治療では、早期の脱脂、水分蘇生、静脈内抗生物質の投与に重点が置かれているが、血管系の障害により全身性抗生物質の有効性が制限されているため、これらの治療はしばしば不十分である。熱傷創のバイオフィルムは治療の障害となり、創傷が急性状態から慢性的な非治癒状態に移行するのに関連している。熱傷創に対する現在の局所治療には、治癒を促進する皮膚または幹細胞を含浸させた皮膚代替品、または抗生物質、銀、または合成抗菌ペプチドを投与するハイドロゲルなどがある。細菌性熱傷創感染症の対策のために、次世代のハイドロゲル創傷被覆材の開発が臨床的に求められている。

背景と結論

創部感染症と敗血症は、熱傷を受けた熱傷者にとって重大な合併症であり、免疫抑制状態を引き起こし、生命を脅かすような状態に陥りやすい。熱傷創に微生物が高密度に存在すると、バイオフィルムが形成される可能性がある。実際、熱傷創の大部分は細菌のバイオフィルムによってコロニー化されており、これが治癒過程を著しく阻害し、機能的および構造的な創傷組織の障害をもたらす。微生物の存在が焼灼されていない組織に隣接して見られる場合には、侵襲的な感染も一般的である。感染した熱傷の管理には、バイオフィルムの再形成を抑制するために、脱脂術に続いてドレッシングや抗菌薬の投与が必要である。しかし、最適な局所抗菌薬治療、抗生物質の管理、早期かつ積極的な脱脂および移植にもかかわらず、敗血症、蜂巣炎、移植片の喪失を含む熱傷創感染症は、熱傷患者の20％以上でいまだに発生している。過去20年間で熱傷患者の生存率は大幅に改善したが、全身性炎症反応症候群、敗血症、多臓器不全症候群は依然として罹患率と死亡率の主な原因となっている。

熱傷創傷の管理におけるもう一つの問題は、熱傷患者にとって深刻な脅威となりつつある抗菌薬耐性（AMR）の増加である。細菌性病原体は病原性因子を利用してバイオフィルムの形成を可能にし、多剤排出ポンプ、抗生物質修飾酵素、低透過性の強靭な外膜など、根絶を逃れるために高度に開発された戦略を持っているため、治療が困難である。実際、バイオフィルムは感染した熱傷への薬剤の浸透を阻害し、重篤な創傷合併症を引き起こすことが知られている。創傷感染を予防または軽減することは、熱傷の臨床管理において大きな進歩となる。現在の熱傷創の管理は、主に創部を覆って感染を防ぐことを目的とした創傷被覆材に大きく依存した複雑なプロセスである。熱傷の感染を防ぐための現在の技術には、非毒性の創傷洗浄、壊死組織の除去、抗生物質の管理、保湿性のあるドレッシングの使用などがある。熱傷創傷管理のための最近の先進技術には、持続放出性銀またはカデキソマーヨウ素抗菌ドレッシング、陰圧創傷療法、および生物製剤や熱傷の修復や感染症と戦う薬剤（銀または酸化亜鉛ナノ粒子など）を含浸させたハイドロゲルを組み込んだドレッシングの開発がある。しかしながら、最近の研究の進展にもかかわらず、これらの治療法の成功は、潜在的な毒性、安定性、および望ましい抗菌剤の放出の欠如が、主要な治療法の限界のいくつかを強調しているため、臨床的には不十分なままである。さらに、現在の先進的なドレッシングのどれも、火傷の傷跡を軽減しながら、治癒を促進し、同時に感染を予防する能力を含む多機能性を提供することができない。代替として、ハイドロゲルベースのドレッシングの先進的な開発は、最も有望な薬物送達システムとして注目されている。これにより、創傷治癒、瘢痕化および感染症を含む熱傷創傷管理の様々な側面に対処するために、高度なハイドロゲルドレッシングの大幅な最適化および開発が行われるようになった。

高度な創傷治療は、多くの場合、火傷部位への活性物質の制御された送達に基づいている。ハイドロゲルは、熱傷創に有益な湿潤・冷却環境を提供する能力、創部への非粘着性、過剰な創傷滲出物を吸収する能力など、熱傷創に最適な創傷被覆材として市場に広く出回っている。さらに、ハイドロゲルの高含水率は、生理的な創傷条件を模倣しており、優れた生体親和性を有する組織再生を促進し、様々な抗菌薬を封入する能力を有している。さらに、それは病原体からの保護障壁を形成し、速い治癒のための自然な自己治癒のメカニズムを刺激し得る生理学的環境を提供する。さらに、ハイドロゲルは、環境刺激に応答して抗菌剤の放出を誘発するように設計することができる。刺激応答性部位は、pH、温度、光などの外部環境の変化に応答してハイドロゲルをオンデマンドに体積変化させることができるため、創傷被覆材、人工皮膚、薬物送達などの生物医学的応用が可能となる。特に、pH応答性のあるハイドロゲルは、創傷部位への抗菌剤の送達を改善するために大いに利用されており、創傷部位のpHに基づいて放出パターンを調整することができるため、特異性が得られる。その結果、ハイドロゲルドレッシングは、改善された持続性と治療効果のための次世代材料のための重要な薬物担体として広く認識されている。重要なことは、ハイドロゲルの作製は、治療モダリティの目的に応じて物理的、化学的、生物学的特性を微調整できることが最もよく知られていることである。例えば、ハイドロゲルの物理的および化学的特性は、哺乳類細胞への毒性が低減された細菌性バイオフィルムに対する長期適用のための望ましい緩慢で持続的な薬物放出を提供するように調整することができる。ハイドロゲルでは、高分子架橋の程度は、天然ポリマーの場合にはまた、本質的な生体適合性[5]に結合されている物理的、化学的、生物学的特性の調整を可能にする。

多くの天然ハイドロゲルは、固有の抗菌特性（例えば、キトサン、β-キチン、セルロース、デキストラン）を持っているが、多くは、金属イオンを搭載したハイドロゲル、金属ナノ粒子、AMPベースのハイドロゲル、および合成抗菌剤を搭載した天然ポリマーベースのハイドロゲルを含む合成抗菌剤や抗菌剤でロードされている。過去10年間の技術および合成の進歩により、サーモゲル、光制御放出型ハイドロゲル、磁気ゲル、マルチポンシブハイドロゲルなど、創傷感染症対策に利用可能な新規抗菌剤および刺激応答性薬物送達ハイドロゲルの配列が拡大してきた。新しい設計戦略には、創傷治癒の状態や治癒の進行状況をモニタリングできるように、ハイドロゲルプラットフォームにセンサー分子を組み込むことも含まれている。

臨床的には、ハイドロゲルは創傷の脱脂剤、湿潤ドレッシング、創傷治療の成分として使用されている。熱傷の創傷管理では、ハイドロゲルは水分供与体として機能し、自己分解的な脱脂と水分調節により創傷治癒を促進することができる。ここ数年、急性創傷感染症やバイオフィルム創傷感染症の動物モデルが改良されたことにより、新規抗菌薬や刺激応答性薬物送達ハイドロゲルの試験が増加している。熱傷の治療に理想的な抗菌性ハイドロゲル創傷被覆材の望ましい特性を図1に示す。

現在の臨床試験のほとんどはハイドロゲルドレッシングの市販後の分析に焦点が当てられており、これまでの明らかな結果によると、標準的な治療法と比較してハイドロゲルは治癒した熱傷の外観を改善し、その結果、ドレッシングの変更に伴う痛みが少なくなり、創傷の再浸潤が改善され、外科的切除や移植の必要性が減少することが示されている。しかし、これまでのところ、熱傷創の再生を促進し、熱傷創の感染症に対抗する効果を同時に示したハイドロゲルはない。さらに、ハイドロゲルの親水性の性質は接着界面から水分を取り除くことを困難にしているため、より適合性が高く、効果的で安定した界面の開発が、先進的なハイドロゲルベースの創傷被覆材の開発のための重要な研究対象となっている。

Khanらによる最近の研究では、良好な生体適合性を持ち、熱傷の治癒に悪影響を及ぼさない細菌性創傷感染症に対抗するための新しい有望な生体材料の開発が報告されている。著者らは、水酸基とフェノール官能基の組み合わせを特徴とするカテコールのユニークな化学性を探求しており、インビボでの共存、表面拡散、相反転、共有結合架橋を含む一連の相乗的なプロセスを通じて、湿った表面への生体接着を可能にしている。著者らは、イプシロン-ポリ-リジン（EPL）とカテコールのモル比（0.3：0.1、0.4：0.1、および0.5：0.1）に基づいてハイドロゲルを合成することにより、ゲル形成システムを最適化した。EPLおよびカテコールは、カテコールアミンの部分的な酸化を可能にするために37度で3日間インキュベーションする前にトリス/HCl溶液に最初に溶解され、その後、ハイドロゲルを作るために4度で2日間保存された。機能性ドレッシングの開発において、カテコール有機化合物を基質として使用する研究が増えている。著者らは、このバイオミメティックハイドロゲルを使用して、γ-アミノ官能基およびカルボキシル基へのリジンモノマーのペプチド結合によって特徴づけられる同一のl-リジン残基からなる既知の天然抗菌ペプチドEPLを送達するために使用する。EPL-カテコールの架橋スキームを図２Ａに示す。EPLのようなカチオン性抗菌ペプチドは、細菌の細胞質膜を損傷し、AMR開発を誘発する可能性が低いので、細菌感染症と戦うための有望な機会を提供する。これまでの研究で、EPLはグラム陰性および-陽性細菌に対して幅広いスペクトルの活性を持ち、生分解性で無毒であり、生物医学的応用のための費用対効果が高いことが示されている。この研究の新規性は、シングルステップのプロセスでELPとカテコールの架橋にあり、以前に説明した複雑な化学プロセスを洗練させ、有機溶媒の使用の必要性を排除する。著者らは、インビトロでハイドロゲルの多孔質構造と抗バイオフィルム活性を特徴づけ、動物モデルに研究を拡張した。

アセネトバクター感染症は、特に発展途上国を中心に患者数が著しく増加しており、熱傷創管理における世界的な問題となっている。Acinetobacter baumannii感染症は、多剤耐性、耐乾燥性、無生物表面への付着性などから、院内環境下で容易に感染し、長期間生存する可能性がある。Khanらは、部分厚さの熱傷モデルを使用して、多剤耐性グラム陰性菌A. baumanniiの臨床株への感染に続いて、新たに開発されたEPL-ヒドロゲルが熱傷創のin-vivoバイオフィルムを有意に減少させる能力を実証した（図2）が、これはEPLとカテコール酸化の副生成物である活性酸素種（ROS）と過酸化水素（H2O2）の両方の作用に起因する可能性が高い。実際、これはまた、感染症と戦い、インビボで組織の治癒と再生を促進するために注入可能なEPLナノ複合ハイドロゲルの使用を説明した以前の研究と一致している。しかし、熱傷創における作用の正確なメカニズムはまだ決定されていない。EPL-カテコール生体材料の調整可能な機能性は、生物医学的応用における将来の研究のための有望な製品となっている。最後に、著者らは、細胞株およびin-vivo組織分析の両方を用いて、開発されたハイドロゲルの高度な生体適合性および細胞毒性を示したが、ハイドロゲルを局所的または皮内に適用しても炎症や毒性の兆候は見られなかった。

この研究は、EPL-カテコール架橋のワンステップ調製法の進歩を示し、熱傷創傷の治療におけるEPLの抗菌効果についての新たな知見を提供しているが、今後の研究では、感染の進行を時間的にモニタリングでき、より臨床的な熱傷創傷環境に近い形で熱傷のポリ微生物感染の生物発光モデルにおける開発されたヒドロゲルの有効性を調査すべきである。さらに、EPL-カテコールが熱傷創の修復に及ぼす影響を十分に理解するためには、その作用機序や炎症シグナル伝達、コラーゲン沈着、血管新生への影響を含めて、さらなる研究が必要である。以前の研究では、pHの変化を利用してカテコールの酸化状態を調整することで、H2O2のオンデマンド生成のためにこの生体材料の活性化（高pH）と不活性化（低pH）を繰り返すことができることが示されている。したがって、開発されたハイドロゲルがオンデマンド活性のためにさらに機能化できるかどうかを探求し、感染した熱傷の治癒に対するEPL-カテコール硬化化学、副生成物の生成および分解生成物の効果を完全に理解するために、より多くの研究が必要とされている。

スライド

最後に

この研究がヒト臨床試験におけるEPL-カテコールヒドロゲルの試験に向けて進展する前に、火傷創感染症のブタ動物モデルにおける前臨床試験の有効性と安全性の研究を行う必要がある。Khanらの研究をまとめると、開発されたバイオミメティックEPL-カテコールハイドロゲルは、熱傷の感染症と闘うための次世代の高度なハイドロゲル創傷被覆材の開発に有望なプラットフォームを提供することを示唆している。

おしまいです。

次の記事までお待ちください。