Цуканов А.Ю., Ахметов Д.С., Новиков А.А., Негров Д.А., Путинцева А.Р
Сведения об авторах:
DOI: 10.29188/2222-8543-2020-12-3-176-181
ВВЕДЕНИЕ
Использование катетеров для обеспечения дренажа полых органов давно завоевало широкое применение в самых разнообразных отраслях медицины, в том числе в урологии. Задача обеспечения пассажа мочи по верхним мочевыводящим путям эффективно решается установкой стента (внутреннее дренирование) или же нефростомы (наружное дренирование). Поводом для установки мочеточникового стента являются реконструктивно-пластические операции на мочеточнике и лоханочно-мочеточниковом сегменте, эндоскопические вмешательства при лечении мочекаменной болезни. Установкой стента заканчиваются до 60% вмешательств по устранению конкрементов в мочеточнике и до 80% вмешательств по элиминации конкрементов из почки [1].
Стентирование снижает риск обструкции мочеточника в послеоперационном периоде, обеспечивает отхождение фрагментов конкремента. Кроме того, стенты способствуют заживлению повреждений слизистой оболочки, вызванных операцией [2].
Вне зависимости от сроков дренирования возможно развитие различных осложнений, от менее значимых (надлобковая боль, гематурия, дизурия, ургентность), до более грозных (пузырно-мочеточниковый рефлюкс, миграция стента), но самыми опасными являются инкрустация стента и формирование биопленок на его поверхности [3].
Мочеточниковые стенты, являясь чужеродными объектами, становятся потенциальными очагами инфекции. Инфекция может различаться от субклинического носительства до септических осложнений с последующим смертельным исходом. Более 65% бактериальных инфекций, явившихся поводом для длительной госпитализации пациента в стационаре, вызваны биопленками, которые сформировались на медицинском инструментарии, катетерах, дренажах [4].
Основной проблемой является повышенная выживаемость бактерий в биопленках в присутствии агрессивных веществ, факторов иммунной защиты и противомикробных препаратов. В частности, биопленки оказались способными выдерживать концентрации антибиотиков в 100-1000 раз больше терапевтических дозировок, подавляющих одиночные бактериальные клетки. Возрастающая антибиотикорезистентность и развитие бактериальных биопленок являются основными проблемами в лечении инфекций мочевых путей [5].
Инфекция может увеличить длительность пребывания пациента в стационаре в послеоперационном периоде, показатели повторной госпитализации, а также количество используемых противомикробных препаратов. Все это резко отражается на увеличении количества и стоимости использованных медицинских ресурсов [6].
В настоящем обзоре отражены основные аспекты, связанные с развитием инкрустации и образованием биопленок на поверхности мочеточникового стента, а также часть существующих способов профилактики и борьбы с данными осложнениями.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
При написании обзора изучена научно-медицинская литература в базах данных в базах Pubmed, Web of Sience, Science Direct, Scopus, Сyberleninka, elibrary, ЦНМБ и других за период с 1984 г. по 2020 г. по следующим ключевым словам: мочеточниковый стент, инкрустация, биопленка, мочекаменная болезнь, бактериурия. Найдено более 100 научных публикаций, выполнен анализ 84 научных работ, наиболее полно отвечающих тематике статьи. 36 работ легли в основу первой части обзора.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Механизмы инкрустации дренажей и формирования биопленок на их поверхности.
Дренажные катетеры обладают превосходной поверхностью для формирования кристаллических отложений, а также прикрепления микроорганизмов [7].
По данным исследования 300 удаленных стентов установлена корреляция частоты их обструкций и продолжительности дренирования. Обструкция просвета выявлена в 155 (47%) стентах, а ее частота составила 26,8% при нахождении стента в мочеточнике в течение 6 недель, 56,9% – от 6 до 12 недель, а также 75,9% – более 12 недель. Таким образом, средний период пребывания стентов до развития внутрипросветной обструкции составил 72 дня [8]. Зачастую вследствие образования конкрементов на почечном и пузырном концах стента выполняют многоэтапные перкутанные и транcуретральные литотрипсии [9].
В условиях постоянного тока мочи начальным этапом является формирование кондиционирующей пленки из кристаллов солей и органических компонентов, осажденных на поверхности стента, которые обеспечивают формирование рецепторных сайтов, необходимых для бактериального прикрепления. В двух исследованиях были рассмотрены компоненты кондиционирующей пленки, обнаруженные на поверхности инкрустированных и неинкрустированных стентов [10, 11].
Исследователи идентифицировали более 300 уникальных белков на поверхности этих стентов, таких как Igκ, IgHG1, α1 антитрипсин, а также гистоны H2b и H3a, связь которых с инкрустацией стента была наиболее выраженной. Авторы предположили, что их чистый положительный заряд может способствовать привлечению отрицательно заряженных кристаллов и стимулированию инкрустации [10, 11].
Авторы другого исследования предложили иной механизм, наблюдая, что пленки, образующиеся на поверхности стента, содержали кальцийсвязывающие белки, в том числе уромодулин и белки S-100. Эти белки позволяют кальцийсодержащим кристаллам присоединяться к поверхностям стента непосредственно [12].
Сначала происходит обратимое первичное прикрепление микроорганизмов к поверхности (адгезия, сорбция) из окружающей среды.
Неспецифическая адгезия микроорганизмов происходит посредством гидрофобных и гидрофильных взаимодействий и/или электростатических сил. Неспецифическое прикрепление микроорганизмов к уроэпителию в большей степени обратимо. На стадии окончательного (необратимого) прикрепления микробы выделяют внеклеточные полимеры, обеспечивающие прочную адгезию.
Специфическая адгезия реализуется через молекулярные взаимодействия между адгезинами микроорганизмов и рецепторами, образованными на поверхности стента. Адгезины – это специфические макромолекулярные комплексы микробных клеток, входящие в состав бактериальных фимбрий или поверхностных структур клеточной стенки, с помощью которых происходит фиксация возбудителя на поверхности катетера [13, 14].
Биопленка, как сообщество микроорганизмов, формирует единую генетическую систему в виде плазмид — мобильных кольцевых низкомолекулярных ДНК, несущих поведенческий код для членов биопленки, определяющих их трофические, энергетические и другие связи между собой и окружающей средой — в частности, иммунокомпетентным организмом. Последнее определено как социальное поведение микроорганизмов — так называемый «quorumsensing» («чувство кворума»). Этот механизм позволяет бактериям действовать коллективно, подобно клеткам в многоклеточном организме. «Чувство кворума» позволяет бактериям обмениваться информацией с помощью специализированных химических молекул [15].
Бактерии в результате своей жизнедеятельности продуцируют органические вещества на поверхности стента, формируют еще больше рецепторов для осаждения солей. В частности, они продуцируют уреазу, которая катализирует гидролиз мочевины до аммиака и двуокиси углерода, что вызывает повышение рН мочи до 8-9. Подщелачивание среды инициирует осаждение плохо растворимых солей кальция, магния, а также струвита, что в свою очередь приводит к инкрустации стента. Таким образом, замыкается порочный круг, в котором факторы, приводящие к инкустации стента и формированию на его поверхности биопленки, взаимообусловливают и взаимоотягощают друг друга [16].
Выбор материала для изготовления стента, как фактор профилактики осложнений
В зависимости от материала изготовления мочеточниковые стенты можно разделить на две группы: металлические и полимерные. К достоинствам первых относят высокую торсионную жесткость, обеспечивающую поддержание просвета стентированного органа в условиях компрессии, коррозионную стойкость, снижающую риск развития металлоза в результате резорбции металла окружающими тканями, термостабильность при имплантации, способность к баллонной дилатации с достижением диаметра в 2-3 раза, превосходящего аналогичные показатели полимерных стентов [17, 18].
Полимерные материалы обладают большей биоинертностью. Отрицательными моментами являются высокий риск миграции, более высокая вероятность развития ирритативной симптоматики [19].
Сложность процессов инкрустации и формирования биопленок проиллюстрирована и тем фактом, что, несмотря на использование разнообразных материалов с различными физическими характеристиками, ни один из них не устойчив к осаждению кристаллов и микроорганизмов [20].
Идея достижения оптимальной биоинертности, как фактора профилактики развития инфекционно-воспалительных, адгезивных, и, как следствие, обтурационных осложнений, не нова.
В настоящее время самыми распространенными полимерными соединениями для изготовления катетеров являются: силикон, полиуретан и их модификации.
Силикон обладает наилучшей биоинертностью, к его недостаткам следует отнести термолабильность с потерей жесткости и большой коэффициент поверхностного трения, что увеличивает, с одной стороны, риск миграции и, с другой, вызывает трудности при установке. Полиуретан – самый дешевый материал, но его биосовместимость оставляет желать лучшего, что приводит к значительному увеличению повреждений уротелия [21].
Нанесение покрытий на поверхность стента, как фактор профилактики осложнений
В настоящее время есть немалое количество работ о разработке материалов и покрытий стента, снижающих риск бактериальной адгезии и инкрустации. Общие требования включают высокую биосовместимость, низкое трение, высокую устойчивость к формированию биопленки и длительный срок использования.
Касательно гепариновых покрытий были получены обнадеживающие результаты. В работе F. Cauda и соавт. 5 пациентам с двусторонней обструкцией мочеточников выполнено билатеральное стентирование с использованием стента, покрытого гепарином, и стандартного полиуретанового стента сроком на 1 месяц. После удаления стенты изучали с помощью сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии и микроинфракрасной спектрофотометрии. Эти же методы использовались для исследования стентов до установки. Сравнивали толщину, протяженность и состав солевых отложений на поверхности стентов с покрытием и без него. Кроме того два стента, покрытых гепарином, исследовали с использованием тех же методов после 10 и 12 месяцев использования. Результаты исследования не показали инкрустации стентов в течение 10-12 месяцев использования по сравнению с 76% инкрустацией обычных полимерных стентов [22].
Однако в последующем DirkLange и соавт. опровергли эти данные в эксперименте. Исследовали стенты: «Triumph» с покрытием из триклозана и «Radiance», покрытый гепарином. Стены «Polaris» и «Endo-Sof» служили контролем, так как они составляли основу для стентов «Triumph» и «Radiance» соответственно. Каждый стент делили на фрагменты размером 1 см, которые в последующем в течение недели инкубировали в отдельных пробирках, содержащих штаммы бактериальных культур: E. coli, Kl. pneumoniae, Enterococcus faecalis, St. Aureus и Ps. aeruginosa. После 7 дней инкубации биопленки визуализировали с использованием флуоресцентной микроскопии. В результате на поверхности стента «Triumph» был обнаружен только штамм Ps. aeruginosa; в то время как на поверхности всех остальных стентов были обнаружены каждая из культур; а также не наблюдалось существенной разницы между количеством штаммов бактерий, обнаруженных на поверхности стентов «Radiance» и «Endo-Sof».
Ранее предполагалось, что гепарин уменьшает инкрустацию стента in vivo. Однако в этих исследованиях пациентам давали профилактические дозы антибиотиков для санации мочи. Таким образом, гепарин может уменьшать инкрустацию в стерильной среде, но, как показало исследование, он не эффективен для ингибирования адгезии бактерий и образования биопленок [23].
Стенты с покрытием из Триклозана («Triumph») были разработаны с аналогичной целью снижения риска развития инфекции мочевыводящих путей. Триклозан эффективен в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий. В исследовании на животных продемонстрировано значительное уменьшение выработки провоспалительных цитокинов уротелием, а также снижение концентрации штамма P. Mirabilis [24]. Исследования in vitro также продемонстрировали снижение адгезии штаммов E. coli, Kl. pneumoniae и S. Aureus [25].
Тем не менее, в двух небольших клинических исследованиях у пациентов, которым были установлены стенты с покрытием из триклозана, не выявлено различий в степени образования биопленок, инкрустации или развития инфекции, но зафиксировано значительное снижение ирритативной симптоматики [26, 27].
Исследование гидрогелевого покрытия, способного поглощать воду, образуя тонкий слой жидкости на поверхности стента с целью предотвращения бактериальной адгезии, также не увенчалось успехом. Гидрогелевое покрытие существенно не уменьшило адгезию бактерий. Однако оно значительно увеличивало продолжительность антибактериальной активности ципрофлоксацина и гентамицина, также наносимых на поверхность стента. Особенность этих стентов позволяет комбинировать гидрофильный матрикс с гидрофобным лекарством, что увеличивает их антибактериальную активность и длительность высвобождения [28].
Метоксиполиэтиленгликоль (мПЭГ) конъюгированный с 3,4-дигидроксифенилаланином (ДОПА), обогащенный соединениями секретируемыми морскими мидиями, продемонстрировал устойчивость in vitro и in vivo к бактериальному прикреплению, в результате чего улучшился клиренс инфекции по сравнению со стентами без покрытия. Однако это не привело к уменьшению инкрустации на поверхности стентов [29].
В 1984 году J.A. Hayward и соавт. предположили, что биоматериалы, покрытые липидами, подобными тем, которые расположены на внешней поверхности эритроцитов, были бы биосовместимы и, следовательно, пригодны для использования при изготовлении медицинских устройств [30]. Было предложено, чтобы фосфорилхолин (ФХ) (основная группа полярных головок на внешней поверхности эритроцитов) был включен в синтетические полимеры для имитации встречающегося в природе мембранного липида, дипальмитоилфосфатидилхолина (ДПФХ). Были синтезированы соединения на основе мономера 2-метакрилоилоксиэтилфосфорилхолина (MФХ), сополимеризованного с длинноцепочечными алкилметакрилатами, которые имели структурные и ионные свойства природного ДПФХ. Из-за их плохих механических свойств эти полимеры не были пригодны в качестве основного материала для изготовления медицинских изделий, но они были использованы в качестве поверхностных покрытий [31]. Эти покрытия наносили на катетеры, где они формировали полярные гидрофильные поверхности. В экспериментах на лабораторной модели катетеризированного мочевого пузыря ФХ-покрытия не уменьшали колонизацию латексных или силиконовых катетеров кристаллической биопленкой P. mirabilis. К тому же не обнаружено существенной разницы между количеством солей кальция и магния на поверхностях катетеров с покрытием и без.
В параллельном клиническом исследовании оценивали эффективность ФХ-покрытий, наносимых на поверхность мочеточниковых стентов с помощью сканирующей электронной микроскопии и бактериологического анализа. 44 стента с ФХ-покрытием, а также 28 контрольных стентов были установлены пациентам на 12-недельный срок. В результате отмечено, стенты с покрытием из ФХ также уязвимы для инкрустации и колонизации бактериальной биопленкой, однако в меньшей мере чем обычные стенты.
L. Lin и ссоавт. впервые сообщили о положительно заряженных цепях полиэтиленимина (ПЭИ), наносимых на поверхность стентов, чтобы препятствовать адгезии бактерий [32]. ПЭИ представляет собой поликатионный полимер с первичными, вторичными и третичными аминогруппами, широко используется в биомедицинских применениях из-за его биосовместимости и катионного характера. Выдвинуто предположение, что ПЭИ-щетки препятствуют бактериальной адгезии вследствие их динамического движения в жидкой среде. Кроме того, катионная структура ПЭИ разрушает мембрану и, таким образом, убивает бактерии во время контакта.
В результате двойной антиадгезивный и контактноубивающий эффект показал высокую эффективность ПЭИ-щеток, нанесенных на полиуретановые стенты, как in vitro, так и in vivo. Анализ цитотоксичности показал, что модифицированный стент является биосовместимым [33]. Однако на сегодняшний день данная технология отражена в единичных публикациях результатов исследований, проведенных на лабораторных животных. Необходимы дальнейшие исследования.
Покрытия из серебра – еще одна потенциально эффективная стратегия предотвращения образования биопленок, учитывая широкий спектр антимикробной активности серебра, без риска развития резистентности у микроорганизмов. Ионизированное серебро, выделяемое из металла после физического контакта с жидкостями, способно ингибировать репликацию генома бактерий. Однако среди опубликованных исследований возникают двусмысленные заключения по поводу антимикробной активности частиц серебра, возможно, из-за различных методов их очистки и изготовления. Необходимы дальнейшие исследования in vitro и in vivo.
Алмазоподобные углеродные покрытия (DLC) обладают превосходной биосовместимостью. В клиническом исследовании из 10 пациентов, склонных к инкрустации стента, покрытия изDLC продемонстрировали значительно меньшую инкрустацию [34].
В 2017 году М.И. Коганом и соавт. был проведен эксперимент по сравнению наноструктурного покрытия на основе аморфного углерода и атомарного серебра (САg) с покрытием со сплавом титана с эффектом памяти формы на основе Ti-Ni-(X) и β-сплавом титана при имплантации в мочевой пузырь белых лабораторных крыс линии Wistar. Каждая группа включала по 20 животных. В группах сплавов титана отмечены выраженные процессы литогенеза, к 30-м суткам эксперимента в просвете мочевого пузыря животных этих групп обнаруживали конкремент, занимающий весь просвет мочевого пузыря. Толщина солевых отложений в 3-5 раз превышала толщину импланта, а их масса составила 284,4±41,5% от исходной массы импланта. В группе САg не зарегистрировано интенсивного камнеобразования. Более 60% поверхности стентов с наноструктурным покрытием были свободны от солевого налета, толщина которого не превышала 100 мкм, масса импланта увеличилась на 15,2±4,9% [35].
По данным D.K. Riley и соавт., которые провели крупнейшее рандомизированное клиническое исследование на 1309 пациентах с мочевыми катетерами, импрегнированными серебром, установлено, что серебряное покрытие неэффективно для предотвращения бактериурии, и, наоборот, при использовании покрытия из серебра встречается повышенная частота стафилококковой суперинфекции [36].
ВЫВОДЫ
Несмотря на большой прогресс в разработке новых материалов и покрытий, проблема инкрустации и формирования биопленок на поверхности катетеров и внутренних дренажей далека от окончательного решения. Однако исследования, направленные на поиск веществ, обладающих максимальными биоинертными свойствами, являются перспективным направлением для понимания и решения проблемы осложнений стентирования мочевыводящих путей.
ЛИТЕРАТУРА
Комментарии