エラストマー医療機器の機械的変形により、微生物の表面定着が可能になる可能性がある

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7691 (2023) この記事を引用

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シリコーンなどのエラストマーは医療機器 (カテーテル、補綴インプラント、内視鏡) によく使用されていますが、微生物の定着やバイオフィルム感染を起こしやすいままです。 私たちの研究は、ポリジメチルシロキサン (PDMS) シリコーンへの微生物の表面付着率が機械的変形によって大きく影響される可能性があることを初めて示しています。 曲がった市販のカテーテル チューブの一部の場合、細菌 (緑膿菌) は、「凹面」側と比較して「凸面」側を 4.2 倍も強く好みます。 鋳造PDMS材料の曲げ試験をさらに行ったところ、事前に手動で拭いた（損傷させた）サンプルのみで有意な差が見られました（凸面と凹面でそれぞれ1.75×104セル/mm2と6.02×103セル/mm2）。 我々は、エラストマーの表面の微小亀裂が引張応力（凸状の曲げ）下で開き、微生物の定着部位として「活性化」されることを実証します。 この研究は、エラストマーの高い弾性限界により、これらの微小亀裂が「動的欠陥」として可逆的に開閉できることを示しています。 市販のカテーテルは製造特有の比較的大きな表面粗さを持っていますが、新しく鋳造された PDMS を手で拭くだけでも表面の微小亀裂を生成するには十分であることを示しています。 私たちは、局所的な引張条件によりこれらの表面欠陥が日和見微生物にさらされる可能性がある、持続的、外科的、または周期的な変形を特徴とする医療機器の意味を検討します。 その結果、私たちの研究は、医療機器におけるエラストマーの広範な使用と開発における深刻な潜在的な問題を明らかにしています。

シリコーン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル (PVC) などのエラストマーは、1950 年代に初めて医療機器に使用され、現在では広く使用されています。 例としては、ポリジメチルシロキサン (PDMS) 尿道カテーテル、ポリウレタン PICC カテーテル、内視鏡シース、およびシリコン人工乳房や顔面インプラントなどの幅広い再建形成外科製品が含まれます 1、2。 最近では、シリコーンは血栓形成性が低く、化学的安定性が高く、多用途に製造できるため、新世代の人工心臓および人工心臓弁の基礎となっています3。 埋め込み型デバイスに加えて、エラストマーは透析システムのポンプやチューブなどの体外医療機器でも一般的です。

広く使用されているにもかかわらず、エラストマーデバイスへの微生物の定着とその後のバイオフィルムベースの感染への発展は、埋め込み型デバイスと再利用可能なデバイスの両方にとって依然として根強い問題となっています。 米国における約 200 万件の医療関連感染症 (HAI) の 50 ～ 70% は、デバイス関連の感染症が原因です4,5。 HAI は、健康への悪影響、患者の入院期間、治療費を大幅に増加させます。 デバイス関連感染症の大部分は、中心線関連血流感染症（CLABSI）、カテーテル関連尿路感染症（CAUTI）、人工呼吸器関連肺炎（VAP）など、カテーテル上の細菌定着の結果です6,7。 米国では年間 500 万本を超える中心ライン カテーテルが挿入されていますが、そのうち 3 ～ 5% の患者が CLABSI を患っており、治療費が大幅に増加しています8。 静脈カテーテル治療を必要とする患者の最近の比較分析では、感染により平均でさらに 2 日の入院が必要になることが示されました9。

デバイス関連感染は、微生物病原体による表面の最初の定着とその後のバイオフィルムへの発達で始まります10、11、12。 バイオフィルム内の細胞は、消毒剤、抗生物質、宿主防御機構から細胞を保護する細胞外ポリマー物質を生成するため、バイオフィルムは持続性があり、根絶が困難です5、13、14、15、16、17、18、19。 通常、外植された医療機器からは、さまざまなグラム陽性菌 (エンテロコッカス フェカリス、黄色ブドウ球菌、表皮ブドウ球菌)、グラム陰性菌 (大腸菌、肺炎桿菌、プロテウス ミラビリス、緑膿菌)、および真菌 (カンジダ アルビカンス) が分離されます 12。 これらの病原体は多剤耐性を発症することが知られており、一旦バイオフィルムを形成すると、全身性の広域抗生物質の使用は効果がないことがよくあります。 感染した場合、多くの場合、デバイスの取り外しと交換が必要になりますが、これは再感染の可能性が高く、非常に外傷的で医学的に危険な選択肢となる可能性があります12。