用於治療革蘭氏陰性皮膚細菌感染的可穿（chuān）戴（dài）輔（fǔ）助臭氧和（hé）抗生素（sù）治療係統

抽象的

皮膚和軟組織感染率的（de）上升以（yǐ）及（jí）危及生命的抗生素耐藥性感染率的增長帶來的問題（tí）組合對醫療保健行業（yè）提出了緊迫的、未滿足的需求。這些進化抗性源於細菌細胞（bāo）壁的突（tū）變，這些突變阻止了抗生素的有效擴散。由於（yú）細胞壁獨特的雙層結（jié）構，革蘭氏陰性細菌對（duì）許多（duō）常見抗生素具（jù）有（yǒu）天然抗性，因此需要特別考（kǎo）慮。這裏開發的（de）係統通過一種可穿戴療法為這個問題提供了一（yī）種解（jiě）決方（fāng）案，該療法通過一種具有藥物洗脫（tuō）納（nà）米纖維 (NFs) 的新型敷料來傳遞和利用氣態臭氧作為局部抗生素的輔助療（liáo）法。該技術通過使用氧化臭氧繞過細菌細胞壁產（chǎn）生的抗性（xìng），大大提高了革蘭氏（shì）陰性細（xì）菌對常見抗生（shēng）素的（de）敏感性。為了能夠簡單有效地應（yīng）用輔（fǔ）助治療，臭氧輸送和局部抗生（shēng）素已（yǐ）被整合到一（yī）個單一的應用貼片中。藥物遞送 NF 是通過靜電紡絲在快速溶解的 PVA 墊中產（chǎn）生的，而不會降低敷料的透氣性。一項係統研究發現，4 mg/h 的臭氧（yǎng）產生（shēng）提供了很佳的臭氧水平，以實現高抗（kàng）菌（jun1）性能和很小（xiǎo）的細胞毒性。這種臭氧處理與係統在體外提供的輔助治療一（yī）起（qǐ）使用。結果顯示，使用臭氧（yǎng）和通常僅用於革蘭（lán）氏陽性菌的抗生素完全根除革蘭氏陰性菌，這表明臭氧作為輔助治療選擇的強度，可（kě）以使細菌（jun1）菌株對其（qí）他無效的抗生素敏感。此外，通過生物相容性（xìng）測試表（biǎo）明（míng）該（gāi）治療對人成纖維細胞沒有細胞毒（dú）性作用。

介紹

       在醫療（liáo）保健行（háng）業，皮膚或其他軟組織感染是導致患者發病（bìng）的一個（gè）日益嚴重的原（yuán）因。這些皮膚（fū）和軟組織感（gǎn）染 (SSTI) 經常感染壓瘡（chuāng） (PU) 或糖尿病足潰瘍 (DFU)，是全球傷口護理市場的一部分（fèn），預計（jì） 2022 年將達到 150 億美元，並將增加到超過到 2024 年將達到 220 億美元。在美國，SSTI 是 3.5% 的急診室就診的原因，患者每次住院平均花費 8000 美元。由於（yú）糖尿病等慢性疾病的流（liú）行和人口老齡化，預計這些數字將在未來幾年進一（yī）步增加。在美國，3420 萬人（約占（zhàn）人口的 10%）患（huàn）有糖（táng）尿（niào）病 。在全球範圍內，估計每年約有 2% 的成年糖尿病患者會發生（shēng） DFU，導致每年（nián） 910 萬（wàn）例（lì），其中約一半的 DFU 會被感染 。這（zhè）種感染通常會導致傷口愈合減少和其（qí）他疾病，如骨髓炎、全（quán）身感染、截肢風險增加和死亡。

        SSTI 感染的典型治療，包括（kuò） PUs DFUs 中的感染，包括使用抗生素（sù）。雖然這種治療方法（fǎ）在許多情況下能（néng）夠減少細菌負荷，但它無助於促進傷口的（de）早期愈合。此外，細菌對抗生素的耐藥性是一個日（rì）益嚴重的全球（qiú）性問題，進一步降低了當前治療方法的（de）有效性 。革蘭氏陰性 (G − ve) 細菌表現出（chū）對許多抗生素治療的天然抗性，這是因為細胞結構中有一層額外的（de）外膜，可防止許多抗生素在細胞內達（dá）到其預期目標，並且可以更容易地（dì）改變以產生新的抗性 .這導致多重（chóng）耐藥 G − ve 細菌的數量和嚴重程度增加（jiā），以至於（yú）世界衛生組織（zhī） (WHO) 僅將 G − ve 細菌列入其需要很緊急（jí）解決方案的抗生（shēng）素耐藥菌株列表。這個（gè）問題（tí）更加令人擔憂（yōu），因為新的抗微生物藥物的（de）開發和批準（zhǔn）可有效治療多藥耐藥（yào）的 G − ve 病原體（tǐ）並沒有跟上細菌新耐藥（yào）性的持續出（chū）現。這是由於藥物開發的（de）漫長、昂貴和高風險的過（guò）程會抑製生產，並（bìng）且要承受市場監管批準的艱巨任務。因此，迫切需要開發 SSTI 的替（tì）代治療方案。

       這種巨大的需求導致對許多替代療法的研究，這些療法可用於（yú）對抗由（yóu）劇毒 G − ve 細菌菌株引起的感染。其中很流行（háng）的（de）是使用冷大氣等離子體 (CAP)、金屬納米粒子 (NPs) 和氣態臭氧。先前使用 CAP 的研究表明，產生的電離顆粒表現出（chū）令人鼓舞的抗菌特性，還有助於促進傷（shāng）口的愈合因子。不幸的是，這些係統需要專業（yè）設備和訓練有素的人員才能發揮（huī）作用，這阻礙了將該技術用於頻（pín）繁治療。金屬納米粒子，例如由銅和銀製成的納米粒子，也因其強大的抗菌特性而得到了廣泛的（de）研究。盡管基於納米粒子的金屬已在局部傷口治療（liáo）中得到廣泛應用，但它們的主要缺點是對天然組織的高毒性。更令（lìng）人震驚的是一些 G − ve 細菌菌（jun1）株對銀形成抗性的報告。此（cǐ）外，正在使用新型材（cái）料開發抗菌貼片，例如用於微針貼片和（hé）納米纖維墊的殼聚糖。這些貼（tiē）片被用作傷口愈合因子和抗菌物質的遞送方法，以促進傷口健康。雖然此類（lèi）係統和平台為更有（yǒu）效和（hé）更深入地遞送治療劑提供了（le）新途（tú）徑，但它們通常具有有限量的藥物，這使得它（tā）們對於慢性傷口（kǒu）的頻繁應用（yòng）是不切實際的。此外，這些係統（tǒng）仍然使用常見的抗生素和納米顆粒，它們分別由於（yú）細菌耐藥性和細胞毒性而在其有限的應用中持續存在。另一方麵，多（duō）年來，氣態臭氧已被證明是一種強大、安全且易於使用的替代處理方法。研究表明，局部應（yīng）用氣態臭氧可有效消除多種有害微生物，包括（kuò）細（xì）菌、病毒、真菌等。這是由於其天然強烈的氧化傾向，通過施加的（de）氧化應激作用削弱細菌細胞的外膜。臭氧作為抗菌劑的曆（lì）史性成功導致了廣（guǎng）泛的臨床應用研究。許多（duō）體外測試（shì）都集（jí）中在（zài）利用高濃度臭氧（0.6-20 μg/mL）。結果（guǒ）表明，在這樣的水平（píng）下，臭氧能夠在非常短的暴露時（shí）間內消除細菌。已研究的臭氧的另一個好處是它能夠刺激細胞中的早期傷口愈合活動，這也（yě）與（yǔ）氧化應激的（de）應用有關。盡管高濃度治療能夠（gòu）更快（kuài）地治（zhì）療感染，但它們也需要特殊的設（shè）備和設施，並且會因過度暴露而損害健康組織。然而，更多原因（yīn）是電子係統和電力光係統的進（jìn）步（bù）提供了通過小型電暈放電係統產生相對較低濃（nóng）度的臭氧的能力。這種係統可以提供獨特的可能性（xìng），通過便（biàn）攜式生成方法向目標傷口部位提供更持久和低水平的臭氧，這消除了對專業設備和訓練有素的（de）人員的（de）需求（qiú），並（bìng）大大降低了損害健康細（xì）胞的風險（xiǎn）。

       除了將臭氧（yǎng）療法（fǎ）用（yòng）作（zuò）獨立療法外，還提出（chū）將臭氧作（zuò）為輔助療法（fǎ）與當前抗（kàng）生素相結合將顯著提高（gāo）兩種療法的性能，尤其是針對 G − ve 細菌的耐藥菌株。先前已通過電穿孔、活性氧 (ROS) 的化學（xué）光合作（zuò）用和腹膜內（nèi）注（zhù）射臭氧對使用輔（fǔ）助療法（fǎ）來提高抗生素療（liáo）效進行了（le）研究。抗生素在這（zhè）種聯合治（zhì）療係統中的增強功效已被解釋為抗生素通（tōng）過二次處（chù）理增（zēng）加擴散到細菌細胞中的過程，該二次（cì）處理破壞了細菌細胞的外膜。雖（suī）然這些方法已顯示出積極的初步結果，但每種方法都有很大的（de）局限性，包括由於電穿孔的細胞毒性而導致的穿透深度有限、ROS 光生成所需的化學合成（chéng）以（yǐ）及（jí）臭氧注射的侵（qīn）入性程序（xù）。通過可穿戴貼片應用的（de）局部臭氧可以通過氧化細胞膜提（tí）供相同的協同特性，並為抗生素創造孔進入細胞44。這種技術在輔助治療和抗生素治療之間產生協同效應方麵是有效的。這種治療的另一個好處是（shì）受（shòu）損（sǔn）的細菌膜將增加可用抗生素（sù）治療（liáo）選擇的數量。由於外膜防禦的減少，這是革蘭（lán）氏陽性 (G + ve) 和 G − ve 菌株之（zhī）間的主要區別，預計輔助臭氧療（liáo）法將使通常對 G + ve 有效的抗生素能夠有（yǒu）效地處理 G − ve 菌株。使用臭氧繞過 G − ve 細菌的內在或發展的抗生素抗（kàng）性將使當前抗生素技術（shù）的長（zhǎng）期使用（yòng）成為可（kě）能。這兩種聯合療法還將（jiāng）減少抗生素和臭氧的劑量，限製高濃度臭氧暴露對健康的負麵影響，並減（jiǎn）緩新抗生素耐藥性的產生速度。

便（biàn）攜式輔助臭氧和局部抗生素治（zhì）療係統。( a ) 臭氧傷口治療係統，旨（zhǐ）在（zài）對皮膚傷口（kǒu）進行輔助臭氧和（hé）抗生素治療。係統由（yóu）便（biàn）攜式臭氧發生（shēng）係統和用於臭氧輸送的微型鼓風機和用於抗生素輸送的藥物洗脫（tuō） PVA 納米纖維多孔網組成。便攜式可充電係統安裝在定製外殼（ké）上，並利用板（bǎn）載低功率電（diàn）子設備。( b ) 便攜式係統產生的臭氧濃度與質（zhì）量產生率的關係。誤差線表（biǎo）示標準偏差（chà）。

       在這裏，我們描述了一種新型綜合治療係統的開發，用於對感染的皮（pí）膚傷口進（jìn）行局（jú）部輔助臭氧和抗生素治（zhì）療，特別是那些由需要新型抗菌劑的耐藥 G − ve 細菌引起的傷口。該係（xì）統（tǒng）由兩部分組成，一個便（biàn）攜式臭氧發生裝置和一個用於與傷口表麵連接的一次性應用貼片（piàn）。臭氧發生係統包含一個低功率臭氧發（fā）生器和微型鼓（gǔ）風機，由板載電池組和微控製（zhì）器控製，可（kě）控製 0 至 4 mg/h 的臭氧輸送。傷口（kǒu）貼片具有三層結構，包含一個內部（bù）擴散層，通（tōng）過使氣流通（tōng）過孔的物理擴散來（lái）實現更均勻的臭氧應用，一（yī）個疏水和透氣的（de）膜，用於防止液體吸收到敷料中，以及一個可生物降解的用（yòng）於抗生素局部應用的納米纖維 (NF) 藥物洗脫（tuō）網。這將創建一個完全集（jí）成的係統，以使用氣態臭氧對抗生素（sù）進行局部輔助治療。貼片直接應用於傷口部位。在那裏，生物可溶性聚合物纖維在與傷口床接觸時分解並將抗生素有效載荷局部釋（shì）放（fàng）到傷口。同時，氣態（tài）臭氧從便攜式外部臭氧發生係統通過附著的貼片泵送到傷口表麵，如（rú）圖 1 所示，提供額外的抗菌作用並通過由於細菌的氧化部分增加（jiā）擴散而增加抗生素效果膜。

       可穿戴輔助臭氧和局部抗生素治療係統（tǒng）。 (a) 臭氧和抗（kàng）生素輔助（zhù）療（liáo）法可用作對傳統療法無反應的皮（pí）膚和（hé）軟組織感染的替代療法。臭氧提供抗菌特性，使抗生素能夠進入細胞並破壞細胞功能，例（lì）如（rú）蛋白質生產。 (b) 該係統利用氣態臭氧（yǎng）和透氣性和藥物洗脫納米纖維墊（diàn）在以下過程中治療發展中的傷口： (i) 將藥物洗脫納米纖維網和透氣膜的一（yī）體化傷口貼片應用於皮膚傷口。 (ii) NFs 開始溶解並釋放局部（bù）抗生素（sù）。 (iii) 由於局部抗生素完全從 NF 中釋放出來，因此在（zài）整個治療期（qī）間將臭（chòu）氧應用於係統。臭氧和抗生素共（gòng）同作（zuò）用以（yǐ）消除（chú）感染。 (iv)一旦傷口愈合，將傷口貼片從該區域移除。臭氧和抗生素治（zhì）療相結合可以治療抗生素耐（nài）藥性（xìng）感染（rǎn）並（bìng）防（fáng）止新感染的發展，從而加快愈合時間。

       為了使係統有效，考慮了以下工程（chéng）標準（zhǔn）。首先（xiān），係統的便攜性對於確保患（huàn）者（zhě）能夠長（zhǎng）時間接受治（zhì）療而不（bú）受臨（lín）床設備（bèi）或不可移動係繩的限製非常重要，這樣（yàng）患者（zhě）就可以在家中輕鬆（sōng）地自行（háng）用藥，而不會（huì）幹擾他們的生活方（fāng）式。便攜式電源能夠為單個發生器供電，產生 0-4 mg/h 的臭氧，或（huò）兩（liǎng）個發生器產生 0-8 mg/h 的臭氧。為了確定很佳臭氧生成速率，對臭氧在不同生成速（sù）率下的（de）抗菌和（hé）生物相容（róng）性（xìng）特性進行了係統研究。其次，優化的臭氧係統與外用抗（kàng）生素聯合進行（háng）了（le）測試，以研（yán）究在生理相關（guān）條件下對 G − ve 細菌治療的協同增強作用。這些治療的重點是利用臭氧使 G − ve 細（xì）菌對 G + ve 病原體常用的抗生素敏感。因為氣態臭氧和抗生素的（de）應用必須能夠同時存在，抗生素的典（diǎn）型局部給藥，例如乳膏，會形成臭氧擴散的障礙。因此，報告的係統使用一層可生物溶（róng）解的納米纖維 (NFs) 來局部遞送抗生（shēng）素。在這（zhè）項研究（jiū）中（zhōng），我們選擇了兩種用（yòng）於治療 G + ve 感染的（de）常見（jiàn）抗生素，萬古黴素和利奈唑胺，作為概（gài）念驗證。研究（jiū）表明，臭氧和這（zhè）些抗生素的組（zǔ）合可以顯著提高治療效果。因此，有理由相信臭氧是（shì）賦予先前耐藥抗（kàng）生素新生命的關鍵輔助治療。此外，該係統旨在通過使用（yòng）低成本材料（liào）（一（yī）次性貼片成（chéng）本： < $2.50）和易於（yú）在臨床環境中實施的局部治（zhì）療方法，將產品通過臨床試驗推向市場。