Development of delivery systems for surgical site infection control : a clinical and an academic perspective

The application of nanotechnology to medicine impacts diagnosis, monitoring, and treatment of diseases as well as control and understanding of biological systems. The potential for the use of nanotechnology in surgery is huge. Drug delivery platforms such as nanoparticles can be engineered to deliver drugs precisely to the target site. Nanomaterials can be used in wound dressings and sutures to promote faster and more effective wound healing, reducing the risk of surgical site infections, and improving overall patient recovery. Biocompatible materials that integrate seamlessly with the body can open a new avenue for implantable devices for joint replacement, dental implants and vascular prostheses. Exciting results have been achieved so far in the field and bioengineering is poised at the intersection of medicine and engineering, a perfect match to bridge the gap between the clinical world and the laboratory realm. Researchers have always tried to grasp the essence of life, trying to solve the mysteries that come with it. In the last 50 years, life sciences have gained even more attention and attraction thanks to the outstanding breakthroughs of pioneers that paved the way for future generations of investigators. In those years fields such as Tissue Engineering and Regenerative Medicine (TERM) started to develop solutions for incurable conditions and diseases. Inspired by these outstanding results, I decided to devote my research activity to the development of surgical strategies to enhance clinical practice in operating rooms. The present PhD Thesis aims to develop novel technological solutions for the treatment of SSIs in different frameworks. The work is a collection of articles I authored and co-authored on this specific topic. The first manuscript presented is a critical review of a particular type of SSI that occurs in cardiovascular procedures: vascular graft infections (VGIs). This review gives an overview of the state-of-the-art for what pertains management of VGIs and explores the emerging trends in prevention and novel lines of treatment focusing in particular on nanotechnology. The document focuses on two main nanotechnology approaches: nanofibers and nanoparticles. Nanofibers, created through electrospinning technology, offer several advantages in preventing VGI. By manipulating parameters such as diameter, surface area, and porosity, researchers can create nanofibers with tailored properties. These nanofibers can incorporate antibacterial materials, such as antibiotics, to provide grafts with inherent antimicrobial activity. Then the review goes on describing another approach using nanotechnology: nanoparticles, including silver nanoparticles and antibiotic-activated cyclodextrins. These different strategies also show promise in preventing biofilm infections. In the last part of the review, there is a section that mentions the potential of 3D bioprinting in fabricating patient-specific grafts. Three-dimensional bioprinting allows for the precise spatial deposition of cell types, providing advantages over conventional processes. However, despite the promising results, bio-printed grafts made from hydrogels need further optimization before reaching broader use in the research field. This review is propaedeutic in introducing the second scientific article reported here in the thesis, on the development of a chitosan-based nanofibrous coating for vascular grafts. The innovative aspects of the project rely on the use of the electrospinning technique to create fibers of nanometric dimensions using a chitosan-based blend loaded with vancomycin, a potent antibiotic effective against gram-positive bacteria and the current line of defense against MRSA infections. This article presents a comprehensive study on the development, characterization and evaluation of a chitosan-based drug-eluting nanofibrous coating for vascular grafts. The study encompasses various aspects, including an evaluation of the processing parameters to obtain a nanofibrous deposition using the electrospinning technique. A thorough characterization section is presented with several assessments, ranging from a rheological evaluation of the polymeric solutions to be used during the electrospinning process, to thermo-gravimetric analysis (TGA) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) of the resulting nanonfibrous mat. The characterization process is then completed by surface tension analysis, hydrophilicity evaluation, kinetics of release of the nanofibrous mats, kinetics of release of the PLGA-coated nanofibrous mats, and finally a biocompatibility assessment. The successful deposition of nanofibers, controlled release of vancomycin, and high viability of HUVECs on the nanofibrous mats demonstrate the potential of this coating for the treatment of vascular graft infections. The third and final article presented here in this thesis investigates another subcategory of SSIs: peri-prosthetic infections (PPIs) occurring in joint replacement procedures, in particular in total hip arthroplasty (THA). This study tackles the problem from another perspective, a clinical one, where two different routes of administration of antibiotics are explored and their effectiveness is investigated in preventing PPI. Instead of coating the implant with antimicrobial agents, the innovative idea was to perform an intraosseous administration of antibiotics exploiting the spongy structure of the bone to retain antibiotic and releasing it slowly throughout time. The objective of this study was to evaluate a novel vancomycin intraosseous (IO) administration protocol vs a standard intravenous (IV) vancomycin administration protocol for primary total hip arthroplasty patients. For this reason, I developed an analytical method to detect Vancomycin in body samples by means of HPLC. During the developmental process, I designed a protocol for the manipulation, enzymatic digestion, and homogenization of patient samples. Furthermore, I created a protocol for Vancomycin detection through HPLC method. Forty patients took part in the study and six different tissue samples were evaluated for each patient. The results showed significant difference between IV and IO administration in the provided tissues, in particular in the acetabulum. This first-of-its-kind study demonstrates the efficacy and utility of IO vancomycin in primary total hip arthroplasty with increased local tissue concentrations and decreased systemic concentrations. This comprehensive work performed during my PhD, highlights the transformative potential of nanotechnology in surgical practices, describing its continual evolution with the aim of enhancing patient outcomes. In this thesis, the interplay of nanotechnological advancements achieved in laboratory and the attempts of bringing these results in clinical practice, not only propels the frontiers of medical knowledge but also exemplifies a commitment to innovative solutions in clinical practice.

L'applicazione delle nanotecnologie alla medicina ha un impatto sulla diagnosi, sul monitoraggio e sul trattamento delle malattie, nonché sul controllo e sulla comprensione dei sistemi biologici. Il potenziale dell'uso delle nanotecnologie in chirurgia è enorme. Le piattaforme per la somministrazione di farmaci, come le nanoparticelle, possono essere progettate per distribuire i farmaci con precisione nel sito di destinazione. I nanomateriali possono essere utilizzati nelle medicazioni e nelle suture per promuovere una guarigione più rapida ed efficace delle ferite, riducendo il rischio di infezioni del sito chirurgico e migliorando il recupero generale del paziente. I materiali biocompatibili che si integrano perfettamente con il corpo possono aprire una nuova strada per i dispositivi impiantabili per la sostituzione delle articolazioni, gli impianti dentali e le protesi vascolari. Finora sono stati raggiunti risultati entusiasmanti in questo campo e la bioingegneria si trova all'intersezione tra medicina e ingegneria, un connubio perfetto per colmare il divario tra il mondo clinico e quello del laboratorio. I ricercatori hanno sempre cercato di cogliere l'essenza della vita, cercando di risolvere i misteri che la accompagnano. Negli ultimi 50 anni, le scienze della vita hanno guadagnato ancora più attenzione e attrazione grazie alle straordinarie scoperte dei pionieri che hanno aperto la strada alle future generazioni di ricercatori. In quegli anni campi come l'ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa (TERM) hanno iniziato a sviluppare soluzioni per condizioni e malattie incurabili. Ispirato da questi risultati straordinari, ho deciso di dedicare la mia attività di ricerca allo sviluppo di strategie chirurgiche per migliorare la pratica clinica nelle sale operatorie. La presente tesi di dottorato mira a sviluppare nuove soluzioni tecnologiche per il trattamento delle SSI in diversi contesti. Il lavoro è una raccolta di articoli di cui sono autore e coautore su questo argomento specifico. Il primo manoscritto presentato è una revisione critica di un particolare tipo di SSI che si verifica nelle procedure cardiovascolari: le infezioni da innesto vascolare (VGI). Questa revisione fornisce una panoramica dello stato dell'arte per quanto riguarda la gestione delle VGI ed esplora le tendenze emergenti nella prevenzione e le nuove linee di trattamento, concentrandosi in particolare sulle nanotecnologie. Il documento si concentra su due principali approcci nanotecnologici: le nanofibre e le nanoparticelle. Le nanofibre, create attraverso la tecnologia dell'elettrofilatura, offrono diversi vantaggi nella prevenzione delle VGI. Manipolando parametri quali diametro, area superficiale e porosità, i ricercatori possono creare nanofibre con proprietà personalizzate. Queste nanofibre possono incorporare materiali antibatterici, come gli antibiotici, per fornire innesti con attività antimicrobica intrinseca. La rassegna prosegue descrivendo un altro approccio che utilizza le nanotecnologie: le nanoparticelle, tra cui le nanoparticelle d'argento e le ciclodestrine attivate da antibiotici. Anche queste diverse strategie si dimostrano promettenti nella prevenzione delle infezioni da biofilm. Nell'ultima parte della rassegna, c'è una sezione che menziona il potenziale del bioprinting 3D nella fabbricazione di innesti specifici per il paziente. Il bioprinting tridimensionale consente la deposizione spaziale precisa di tipi di cellule, offrendo vantaggi rispetto ai processi convenzionali. Tuttavia, nonostante i risultati promettenti, gli innesti bio-stampati realizzati con idrogeli necessitano di ulteriori ottimizzazioni prima di raggiungere un uso più ampio nel campo della ricerca. Questa rassegna è propedeutica all'introduzione del secondo articolo scientifico riportato nella tesi, sullo sviluppo di un rivestimento nanofibroso a base di chitosano per innesti vascolari. Gli aspetti innovativi del progetto si basano sull'uso della tecnica di elettrofilatura per creare fibre di dimensioni nanometriche utilizzando una miscela a base di chitosano caricata con vancomicina, un potente antibiotico efficace contro i batteri gram-positivi e l'attuale linea di difesa contro le infezioni da MRSA. Questo articolo presenta uno studio completo sullo sviluppo, la caratterizzazione e la valutazione di un rivestimento nanofibroso a rilascio di farmaco a base di chitosano per innesti vascolari. Lo studio comprende vari aspetti, tra cui la valutazione dei parametri di lavorazione per ottenere una deposizione nanofibrosa con la tecnica dell'elettrofilatura. Viene presentata un'accurata sezione di caratterizzazione con diverse valutazioni, che vanno dalla valutazione reologica delle soluzioni polimeriche da utilizzare durante il processo di elettrofilatura, all'analisi termo-gravimetrica (TGA) e alla spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR) della membrana nanonfibrosa risultante. Il processo di caratterizzazione è poi completato dall'analisi della tensione superficiale, dalla valutazione dell'idrofilia, dalla cinetica di rilascio deelle membrane nanofibrose, dalla cinetica di rilascio dei prodotti nanofibrosi rivestiti di PLGA e infine dalla valutazione della biocompatibilità. Il successo della deposizione delle nanofibre, il rilascio controllato della vancomicina e l'elevata vitalità delle HUVEC sui prodotti elettrofilati dimostrano il potenziale di questo rivestimento per il trattamento delle infezioni degli innesti vascolari. Il terzo e ultimo articolo presentato in questa tesi analizza un'altra sottocategoria di SSI: le infezioni peri-protesiche (IPP) che si verificano nelle procedure di sostituzione articolare, in particolare nell'artroplastica totale dell'anca (THA). Questo studio affronta il problema da un'altra prospettiva, quella clinica, in cui vengono esplorate due diverse vie di somministrazione degli antibiotici e viene analizzata la loro efficacia nella prevenzione delle IPP. Invece di rivestire l'impianto con agenti antimicrobici, l'idea innovativa è stata quella di effettuare una somministrazione intraossea di antibiotici sfruttando la struttura spugnosa dell'osso per trattenere l'antibiotico e rilasciarlo lentamente nel tempo. L'obiettivo di questo studio è stato quello di valutare un nuovo protocollo di somministrazione di vancomicina per via intraossea (IO) rispetto a un protocollo standard di somministrazione di vancomicina per via endovenosa (IV) in pazienti sottoposti ad artroplastica totale primaria dell'anca. Per questo motivo, ho sviluppato un metodo analitico per rilevare la vancomicina nei campioni corporei mediante HPLC. Durante il processo di sviluppo, ho progettato un protocollo per la manipolazione, la digestione enzimatica e l'omogeneizzazione dei campioni dei pazienti. Inoltre, ho creato un protocollo per la rilevazione della Vancomicina attraverso il metodo HPLC. Quaranta pazienti hanno partecipato allo studio e per ogni paziente sono stati valutati sei diversi campioni di tessuto. I risultati hanno mostrato una differenza significativa tra la somministrazione per via endovenosa e quella per via parenterale nei tessuti forniti, in particolare nell'acetabolo. Questo studio, unico nel suo genere, dimostra l'efficacia e l'utilità della vancomicina per via intraossea nell'artroplastica totale primaria dell'anca, con un aumento delle concentrazioni locali nei tessuti e una riduzione delle concentrazioni sistemiche. Questo lavoro completo svolto durante il mio dottorato evidenzia il potenziale di trasformazione delle nanotecnologie nelle pratiche chirurgiche, descrivendo la loro continua evoluzione con l'obiettivo di migliorare la vita dei pazienti. In questa tesi, l'interazione tra i progressi nanotecnologici ottenuti in laboratorio e i tentativi di portare questi risultati nella pratica clinica, non solo spinge le frontiere della conoscenza medica, ma esemplifica anche l'impegno verso soluzioni innovative nella pratica clinica.