用於治療革蘭氏陰性皮（pí）膚細菌感染的可穿戴輔助（zhù）臭氧和抗生素治療係統

抽象的

皮膚和軟組織感染率的（de）上升以及危及生命的（de）抗生素耐藥性感染率的增（zēng）長帶來的問題組合對醫療保健（jiàn）行業提出了（le）緊迫的、未滿足（zú）的需求。這些進化抗性源於細菌細胞壁的突變，這些突變阻止（zhǐ）了抗生素的有（yǒu）效擴（kuò）散。由於細胞（bāo）壁獨（dú）特的雙層結構，革（gé）蘭氏（shì）陰性（xìng）細菌對許多常見抗生素具有天然抗性，因此需要特別考慮。這裏（lǐ）開發的係統通（tōng）過一種可穿戴療法為這個問（wèn）題提供了一種解決方案，該療法通過一（yī）種具有藥物洗脫納米纖維 (NFs) 的新型敷料來傳遞和利用氣態臭氧作（zuò）為局部抗生（shēng）素的輔助療法。該技術通過使用氧化臭氧繞過細菌細胞壁產生的抗性，大大（dà）提高了革蘭氏陰（yīn）性細菌對常見抗生素的敏（mǐn）感性。為了能夠簡單有效地應用輔助治療，臭氧輸送和局部抗生素已（yǐ）被（bèi）整合到一個單一的應用貼片中。藥（yào）物遞送 NF 是通過靜電紡絲在快（kuài）速溶解的 PVA 墊中產生的，而不會降低敷料的透氣性。一項係統研究發現，4 mg/h 的臭氧產生提供（gòng）了很佳的臭氧水（shuǐ）平，以實（shí）現高（gāo）抗菌性（xìng）能和很小的（de）細（xì）胞毒性。這種臭氧處理與係統在體外提供的輔（fǔ）助治療一起（qǐ）使用。結果（guǒ）顯示，使用臭氧和通常僅用於（yú）革蘭（lán）氏陽性菌的抗生素完全（quán）根除革蘭氏陰性菌，這表明臭氧作為輔助治療選擇的強度，可以使細菌菌株對其他無效的抗生素敏感。此外，通過生物相容性測試表明該治療對人成纖維細胞沒有細胞毒性作用。

介（jiè）紹

       在醫療保健行業，皮膚或其他軟組織感染是導致患者發病的一（yī）個日（rì）益（yì）嚴重的原因。這些皮膚和軟組織感（gǎn）染 (SSTI) 經常感染壓瘡 (PU) 或糖尿病足潰瘍 (DFU)，是全（quán）球傷口護理市（shì）場的一部分，預計 2022 年將達到 150 億美（měi）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（jiù）診（zhěn）的原因，患者每次住院平均花費 8000 美元。由於糖尿病等慢性疾病的流行和人口老齡化，預計這些數字將在未來幾年進一步增加。在美國，3420 萬人（約占人（rén）口的 10%）患（huàn）有糖尿病 。在全球範圍內，估計（jì）每年約有 2% 的（de）成年糖尿病患者會（huì）發生 DFU，導致每年 910 萬例，其中約一半的 DFU 會被（bèi）感染 。這種感染通常（cháng）會導致傷口愈（yù）合減少和其他疾（jí）病，如骨髓炎、全身感染、截肢風險增加和死亡。

        SSTI 感染的典型治療，包（bāo）括 PUs DFUs 中的感染，包括使用（yòng）抗生素。雖然這種治療方法在許多（duō）情況下能夠減少細菌負荷，但它無助於促進傷口的早期愈合。此外，細菌對抗生素的耐藥性是一個（gè）日（rì）益嚴重（chóng）的全球性問題，進一步降低了當前治療方法（fǎ）的有（yǒu）效性 。革蘭氏陰性 (G − ve) 細菌表現出對許多抗生素治療的天然抗性，這是（shì）因為細胞結構中有一（yī）層額外的外膜，可防止許多抗生（shēng）素在細胞內（nèi）達到其預期（qī）目標，並且可以更容易地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，以至於世界衛生（shēng）組織 (WHO) 僅將（jiāng） G − ve 細菌列入其需要很緊（jǐn）急解決方案的抗（kàng）生素耐藥菌（jun1）株列（liè）表。這個問題更加令人擔憂，因為新的抗微生物藥物的（de）開發和批準可有效治療（liáo）多藥耐藥的（de） G − ve 病原體（tǐ）並沒有跟上細菌新耐藥性的持續出現。這是由於（yú）藥物（wù）開發的漫長、昂貴和高風險的過程會抑製生產，並且（qiě）要承（chéng）受市場監管批準的艱巨任務。因此，迫切需（xū）要開發 SSTI 的（de）替代治療方案。

       這種巨大的（de）需求導致對許多替代療法的研究，這些療法可用於對（duì）抗由劇（jù）毒 G − ve 細菌（jun1）菌株（zhū）引起的感染。其中很流行的是使用冷大氣等離（lí）子體 (CAP)、金屬納米（mǐ）粒子 (NPs) 和氣態臭氧。先前（qián）使用 CAP 的研究表明，產生的電離顆粒表現出令人鼓舞的抗菌特性，還有助於促進傷（shāng）口（kǒu）的愈合因子。不幸的（de）是，這些係統需要（yào）專業設備（bèi）和訓練有（yǒu）素的人員才能發（fā）揮作用，這阻礙了（le）將該技術用於頻繁治（zhì）療。金屬納米粒子，例如由銅和銀製成（chéng）的納米粒子，也（yě）因其強大的抗菌（jun1）特性而得到了廣泛的（de）研究（jiū）。盡管基於納米粒子的金屬已（yǐ）在局部傷口治療中得到廣泛應（yīng）用，但它們的主要缺點是對天然組織的（de）高毒性。更令人震驚的（de）是一些 G − ve 細菌（jun1）菌株對銀形成抗性的報告。此外（wài），正在（zài）使用新型（xíng）材料開發（fā）抗菌貼（tiē）片，例（lì）如用於微針（zhēn）貼片和納米纖（xiān）維墊的殼聚糖。這（zhè）些貼片被用作（zuò）傷（shāng）口愈合因子和抗菌物質的遞送方法（fǎ），以（yǐ）促進傷口健（jiàn）康。雖然此類係（xì）統和平台（tái）為更有效和更深入地遞送治療劑提供了新途徑，但它們通常具有有限量的藥物，這使得它們對於慢性（xìng）傷口的頻繁應用是不切（qiē）實際的。此外，這些係統（tǒng）仍（réng）然使用常見的抗生素和納米顆粒（lì），它們分（fèn）別由於細菌耐（nài）藥性和細胞毒性而在其有限的應用中持續存在。另（lìng）一方麵，多年來（lái），氣態臭氧已被證明是（shì）一種強大、安（ān）全且易於使用的替代處理方法。研究表明（míng），局部應用氣態臭氧可有效消（xiāo）除多（duō）種有（yǒu）害微（wēi）生物（wù），包括細菌、病毒、真菌等。這是由（yóu）於其（qí）天然強烈的氧化傾向，通過施加的氧化應激作用削弱細菌細胞（bāo）的外膜。臭氧作為抗菌劑的曆史性成功導致了廣泛的臨床應（yīng）用研究。許多體外測試都集中在利用（yòng）高（gāo）濃度（dù）臭氧（0.6-20 μg/mL）。結果表明，在這（zhè）樣的水平下，臭（chòu）氧能（néng）夠在非常（cháng）短的暴露時間內消除細菌。已研究的臭氧的另一個好處是它能夠刺（cì）激細胞中的早期傷口愈合活（huó）動，這也（yě）與氧化應激的應用有關。盡管（guǎn）高濃（nóng）度治療能夠更快（kuài）地治療感染，但它們也需（xū）要特殊的設備和設施，並且會因過度暴露而損（sǔn）害健康組織。然而，更多原因是電子係統和電力光係統的（de）進（jìn）步提供了通過小型電暈放電係統產生相對較低（dī）濃度的臭氧的能力。這種（zhǒng）係統可以提供（gòng）獨（dú）特的可能性，通過（guò）便攜式生成方（fāng）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人員的需求，並大大降（jiàng）低了損害健康細（xì）胞的風險。

       除了將臭氧療法用（yòng）作獨立療法外（wài），還提出將臭（chòu）氧作為輔助（zhù）療法與（yǔ）當前抗生素相結合將顯著提高（gāo）兩種療法的性能，尤其（qí）是（shì）針對（duì） G − ve 細菌的耐（nài）藥菌株。先前已通過電穿孔（kǒng）、活性氧 (ROS) 的化學光合作用和腹膜內注射臭氧（yǎng）對使用輔助療法來提（tí）高（gāo）抗生素療效進行了研究。抗生素在這種聯合治療係統中的增強（qiáng）功效已被解釋為抗生素通（tōng）過（guò）二次（cì）處（chù）理增加擴散到細菌細胞中的過程，該二次處理破（pò）壞（huài）了細菌細胞的外膜。雖然這些方（fāng）法已顯（xiǎn）示出積極的初步結果，但每種方法都有很大的（de）局限性（xìng），包括由（yóu）於電穿孔的細（xì）胞毒性而導致的穿（chuān）透深（shēn）度有限、ROS 光生（shēng）成所需的化學合成以及臭氧注射的（de）侵入性程序。通過可穿（chuān）戴貼片應用的局部臭氧可以通過氧化細胞膜提供相同的協同特（tè）性，並為抗生素（sù）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（chǎn）生（shēng）協同效應方麵是有效的。這種治療的另一個好（hǎo）處是受損的細菌膜將增加可用抗生素治療選擇的數量（liàng）。由於外膜防禦的減（jiǎn）少，這是革蘭（lán）氏陽性 (G + ve) 和 G − ve 菌株之間的（de）主要區別，預計輔助臭氧療法將使通常對 G + ve 有效的抗生素能夠有效地處理 G − ve 菌株。使用臭氧繞過 G − ve 細菌的內在或發展（zhǎn）的抗生素抗性將使當前抗生素技術的長期使用成為可能。這兩種聯合療法還將（jiāng）減少抗生素和（hé）臭氧（yǎng）的劑量，限製高濃（nóng）度臭氧暴露對健（jiàn）康（kāng）的負麵影響，並減緩新（xīn）抗生素耐（nài）藥性的產生速度（dù）。

便攜式輔助臭氧和局部抗生素治療係統。( a ) 臭氧傷口治療係（xì）統，旨在對皮膚傷（shāng）口進行輔助臭氧和抗（kàng）生素治療。係統由便攜式臭氧發生係（xì）統和用於（yú）臭（chòu）氧輸送的微型鼓風機和用於（yú）抗生素輸送的藥（yào）物洗脫 PVA 納米（mǐ）纖維多（duō）孔網組成。便攜式可充電係（xì）統安（ān）裝在定製外（wài）殼上，並（bìng）利用板載低功率電子（zǐ）設備。( b ) 便攜（xié）式係統產生的臭氧濃度與質量產生率的關係。誤差線表示標準偏差。

       在這裏，我們描述了一種新型綜合治療係統的開發，用於對感染的皮膚傷口進行局部輔（fǔ）助臭氧和抗生素治療，特別是那些由需要新型抗菌劑的（de）耐藥 G − ve 細（xì）菌引起的傷口。該係統由兩部分組（zǔ）成，一個（gè）便攜式臭氧發生裝置（zhì）和一個用於與傷口表麵連接的一次（cì）性（xìng）應用貼片。臭氧發生係統包含一個低功率臭氧發生器和微型（xíng）鼓風機，由板載電池組和微控製器控製（zhì），可控製 0 至 4 mg/h 的臭氧輸送。傷口貼（tiē）片具有三層結構，包含一個內部擴散層，通過使氣（qì）流通過孔的物理擴散來實現更均勻的臭氧應用，一（yī）個疏水（shuǐ）和透氣的膜，用於防止液體吸收到敷料中，以及一個（gè）可生物降解的用於抗生素局部應用（yòng）的納米纖維 (NF) 藥物洗脫網。這將創建一個完全集成的（de）係統，以使（shǐ）用氣態臭氧對抗生素進行局部（bù）輔助治療。貼片直接應用於（yú）傷口部位。在那裏，生物可溶（róng）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放到傷口。同時，氣態臭（chòu）氧從便攜（xié）式外部臭氧發生係統（tǒng）通過附著的貼片（piàn）泵送到傷口表麵，如圖 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。 (a) 臭氧和抗生素輔助（zhù）療法可用作對傳統療法無反應的皮膚和軟組織感染的替代（dài）療法。臭氧提供抗菌特性，使抗（kàng）生素能夠進入細胞並破壞細胞功能，例如蛋（dàn）白質生產。 (b) 該係統利用（yòng）氣態（tài）臭氧和透氣性和藥（yào）物洗脫納米纖維墊在以下（xià）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體化傷口貼片應用於皮膚傷口。 (ii) NFs 開（kāi）始溶解並釋放局部抗生素（sù）。 (iii) 由（yóu）於局部抗生素完全（quán）從（cóng） NF 中釋放出來，因此在（zài）整個治療期間（jiān）將臭（chòu）氧（yǎng）應（yīng）用於係統。臭氧和（hé）抗生素共同作用以消除感染。 (iv)一旦傷口愈合，將傷口貼片從該（gāi）區域移除。臭氧和抗生素治療相結合可以治（zhì）療抗生素耐藥性感染並防止新感染的發展（zhǎn），從而加快愈合時間。

       為了使係統有效，考慮了以下工程標準。首先，係統的便攜性對於確保患者能夠（gòu）長時間接（jiē）受治療而（ér）不受臨床設備或不可（kě）移動係（xì）繩的限製（zhì）非常重要，這（zhè）樣患者就可以在家中輕鬆（sōng）地自行用藥，而不會幹擾他們的生活方式。便攜式電源能夠為單個發生器供電，產生 0-4 mg/h 的臭氧，或兩個發生器產（chǎn）生 0-8 mg/h 的臭氧。為了（le）確定很佳臭氧生成速率（lǜ），對臭氧在不同生（shēng）成速率下的（de）抗菌和生物相容性特性進行了係（xì）統研究。其次，優化的臭（chòu）氧（yǎng）係統與外用抗生素（sù）聯合（hé）進行了測試，以研究在生理（lǐ）相關條件（jiàn）下（xià）對 G − ve 細菌治療的協同增強作用。這些治療的重點（diǎn）是（shì）利用臭氧使 G − ve 細菌對 G + ve 病原體常用的（de）抗生素敏感。因（yīn）為氣態臭氧和抗生素的應用（yòng）必須能夠同時存在（zài），抗生素的典型局部給藥（yào），例如乳膏，會形成臭氧（yǎng）擴散的障（zhàng）礙。因此，報告的係統使用一層可生物溶解的納米纖維 (NFs) 來局部（bù）遞送（sòng）抗生素。在這項研究中，我們選擇（zé）了兩種（zhǒng）用於（yú）治療 G + ve 感染的常見抗生素，萬（wàn）古黴素和利奈唑胺，作為概（gài）念驗證。研究表明，臭氧和這些抗生素的（de）組合可以顯著提高治療效果。因此，有理由相信臭氧是賦予先前耐藥抗生素新生命的關鍵輔助治療。此外，該係（xì）統旨在通過使用低成（chéng）本材料（一次性貼片成本： < $2.50）和易於在臨（lín）床環（huán）境（jìng）中實施的局部治療方法，將產品通過臨（lín）床試驗推向市場。