УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ IN VIVO БАКТЕРИАЛЬНЫХ БИОПЛЕНОК

Полезная модель относится к области медицины и биотехнологии, в частности к микробиологии, и предназначена для моделирования условий развития бактериальных биопленок в инфицированной полости и исследования действия антибактериальных средств, в том числе бактериофагов, кодируемых ими ферментов и их аналогов на бактериальные биопленки.
Бактериальные биопленки устойчивы к обычному лечению антибиотиками и местными антибактериальными препаратами и являются фактором множественной антибиотикорезистентности и антибиотикотолерантности бактерий, а также их устойчивости к факторам иммунной защиты (Галимзянов Х.М., Башкина О.А., Досмуханова Э.Г., Абдрахманова P.O., Демина Ю.З., Даудова А.Д., Алешкин А.В., Несвижский Ю.В., Рыбкин B.C., Афанасьев С.С., Чикобава М.Г., Аршба И.М., Рубальский М.О., Рубальский Е.О. Клиническое значение биопленкообразования у бактерий // Астраханский медицинский журнал. - 2018. - Т. 13, №4. - С. 32-42).
В связи с влиянием факторов окружающей среды на формирование биопленки (Toyofuku М., Inaba Т., Kiyokawa Т., Obana N., Yawata Y., Nomura N. Environmental factors that shape biofilm formation // Bioscience, biotechnology, and biochemistry. - 2016. - Vol. 80, №1. - P. 7-12) актуальной является моделирование образования бактериальных биопленок in vivo.
Известны модели in vivo для изучения бактериальных биопленок при инфицировании естественных полостей организма.
Была доказана возможность образования бактериальных биопленок в околоносовых пазухах при моделировании у овец синусита, вызванного Staphylococcus aureus (На K.R., Psaltis A.J., Tan L., Wormald P.J. A sheep model for the study of biofilms in rhinosinusitis // American journal of rhinology. - 2007. - Vol. 21, №3. - P. 339-345).
Известно использование модели риносинусита у овец для изучения эффективности топических (местных) антибиопленочных агентов при выращивании биопленок Staphylococcus aureus в лобных пазухах овец (Le Т., Psaltis A., Tan L.W., Wormald P.J. The efficacy of topical antibiofilm agents in a sheep model of rhinosinusitis // American journal of rhinology. - 2008. - Vol. 22, №6. - 560-567).
Недостатком известных аналогов является отсутствие моделирования in vivo бактериальных биоленок в инкапсулированном, ограниченном (как вариант - отграниченном) инфекционном очаге, предотвращающего опасность генерализации инфекции.
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения - прототипом - является моделирование бактериальной инфекции полимерного импланта, для создания которой использовали твердые полиметакрилатные и политетрафторэтиленовые перфорированные трубки (внутренний и внешний диаметры 10 и 12 мм соответственно, длина 32 мм с ~250 равномерно расположенными отверстиями (диаметр 1 мм), закрытыми на каждом конце крышкой из идентичного материала. Согласно прототипу, данные перфорированные трубки имплантировались подкожно в оба бока морским свинкам. Животных использовали для экспериментов через две или более недель после введения имплантов. Для инфицирования животных в импланты, подкожную клетчатку или полость брюшины вводили 0,1 мл ресуспендированной культуры Staphylococcus aureus штамма Wood 46 морской свинке (Zimmerli W., Waldvogel F.A., Vaudaux P., Nydegger U.E. Pathogenesis of foreign body infection: description and characteristics of an animal model // The Journal of infectious diseases. - 1982. - Vol. 146, №4. - P. 487-497).
Недостатком прототипа является отсутствие моделирования in vivo бактериальных биоленок в инкапсулированном, ограниченном (как вариант - отграниченном) инфекционном очаге, предотвращающего опасность генерализации инфекции.
Главной задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является создание устройства, позволяющего моделировать in vivo бактериальные биопленки в инкапсулированном, ограниченном инфекционном очаге в виде инфицированной полости без опасности генерализации инфекции.
3
Поставленная задача реализуется за счет того, что устройство для моделирования бактериальных биопленок в инфицированной полости, выполнено в виде непроницаемой для бактерий замкнутой емкости с внутренней полостью объемом 100-100000 мм, стенки которой состоят частично из каркаса, выполненного из биологически совместимого материала, предпочтительно из биологически совместимого полимера, с, по крайней мере, одним выступом внутри замкнутой емкости, а частично из биологически совместимой пористой мембраны с эквивалентным диаметром пор не более 450 нм, занимающей 1-99% площади наружной поверхности устройства.
Каркас устройства выполнен из биологически совместимого материала, предпочтительно из биологически совместимого полимера, в качестве которого используют любые известные применяемые биологически совместимые полимеры (Majumdar A.D. Biocompatible plastics and their importance in the medical device industry. - URL: http://multibriefs.com/briefs/exclusive/biocompatible_plastics_medical_industry.html#.XT5oUeszaUm; Bigham K.J. Biocompatibility of plastics. - Orangeburg: Zeus Industrial Products, Inc., 2017. - 11 p. - URL: https://www.zeusinc.com/wp-content/uploads/2014/03/RESINATE-SE-Biocompatibility-of-Plastics.pdf).
В качестве биологически совместимой пористой мембраны в устройстве используют любые известные применяемые биологически совместимые пористые мембраны ( L., Jofre J., Muniesa M. Comparison of polyvinylidene fluoride and polyether sulfone membranes in filtering viral suspensions // Journal of virological methods. - 2003. - Vol. 109, №1. - P. 99-101; Lytle C.D., Routson L.B. Minimized virus binding for tests of barrier materials // Applied and environmental microbiology. - 1995. - Vol. 61, №2. - P. 643-649).
Устройство может быть выполнено в произвольной форме, предпочтительно в форме шара или усеченного шара, или сфероида, или усеченного сфероида, или цилиндра, или конуса, или усеченного конуса, или икосаэдра, или усеченного икосаэдра.
В основу заявляемой полезной модели положена обеспечивающая решение поставленной задачи новая совокупность оригинальных отличительных признаков. Во-первых, это непроницаемость для бактерий, находящихся в замкнутой емкости, состоящей из каркаса и пористой мембраны, эквивалентный диаметр пор которой позволяет проникать во внутреннюю полость устройства веществам, необходимым для размножения бактерий и формирования ими биопленок in vivo, а также обеспечивает возможность изучения воздействия на бактерии и их биопленки противомикробных агентов, используемых в различных лекарственных формах. Причем выступ или выступы на каркасе внутри замкнутой емкости обеспечивают формирование биопленок в условиях, приближенным к их формированию на преимущественно неровных поверхностях в организме, и увеличивают площадь формируемой биопленки, уменьшая размер устройства. Выступ или выступы на каркасе внутри замкнутой емкости можно использовать для разделения в устройстве участков образования биопленок, включающих разные виды, штаммы или изоляты микроорганизмов. Во-вторых, широкое варьирование доли площади пористой мембраны по отношению ко всей площади наружной поверхности устройства дает возможность моделировать приближенные к клиническим условиям варианты числа, площади участков проникновения в ограниченный инфекционный очаг веществ, необходимых для размножения бактерий и формирования ими биопленок in vivo, и противомикробных агентов (то есть моделировать варианты отграниченности очага).
Из патентно-технической литературы и практики молекулярно-генетических исследований неизвестно об устройстве для моделирования бактериальных биопленок в инфицированной полости, которое было бы идентично заявляемому.
Отсюда правомерен вывод о соответствия заявляемого решения критерию «новизна».
Указанная выше совокупность существенных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата - создания устройства, позволяющего моделировать in vivo бактериальные биопленки в инкапсулированном, ограниченном инфекционном очаге в виде инфицированной полости без опасности генерализации инфекции.
Предлагаемое устройство может быть получено многократно, а, значит, заявляемое техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность полезной модели поясняется на фиг. схематичным изображением фронтального (продольного) разреза варианта устройства, выполненного в виде усеченного сфероида.
Приведенные на схеме конфигурация (форма), расположение и пропорциональное соотношение размеров каркаса, мембран и выступа заявляемого устройства обусловлены необходимостью информативного описания общих принципов его строения и работы и не предназначены для практического использования.
Приведенный вариант устройства показывает конкретную реализацию заявляемой полезной модели, но не ограничивает объем притязаний формулы заявляемой полезной модели.
Сущность полезной модели также поясняется на следующих примерах, показывающих создание устройства, позволяющего моделировать in vivo бактериальные биопленки в инкапсулированном, ограниченном инфекционном очаге в виде инфицированной полости без опасности генерализации инфекции. При этом приведенные примеры устройства показывают конкретную реализацию заявляемой полезной модели, но не ограничивают объем притязаний формулы заявляемой полезной модели.
3
Пример 1. Получено устройство в форме усеченного конуса для моделирования бактериальных биопленок в инфицированной полости, выполненное в виде непроницаемой для бактерий замкнутой емкости с внутренней полостью объемом 100 мм, стенки которой состоят частично из каркаса с выступом внутри замкнутой емкости, выполненного из биологически совместимого материала - из биологически совместимого полимера - поливинилхлорида, а частично из биологически совместимой пористой нитроцеллюлозной мембраны с эквивалентным диаметром пор не более 450 нм, занимающей 99% площади наружной поверхности устройства.
Причем до создания замкнутой емкости во внутреннюю полость устройства вводили суспензию Staphylococcus aureus.
Полученный вариант устройства имплантировали в брюшную полость золотистому хомяку. В течение всего периода наблюдения за животным не было выявлено клинико-лабораторных признаков генерализации инфекции.
Через 3 недели устройство извлекли из брюшной полости животного.
При осмотре внутренней полости устройства были выявлены сформированные бактериальные биопленки Staphylococcus aureus.
Таким образом полученное устройство позволило моделировать in vivo бактериальную биопленку в инкапсулированном, ограниченном инфекционном очаге в виде инфицированной полости без опасности генерализации инфекции.
3
Пример 2. Получены два устройства в форме усеченного шара для моделирования бактериальных биопленок в инфицированной полости, выполненные в виде непроницаемой для бактерий замкнутой емкости с внутренней полостью объемом 20000 мм, стенки которой состоят частично из каркаса с десятью выступами внутри замкнутой емкости, выполненного из биологически совместимого материала - из биологически совместимого полимера - полиуретана, а частично из биологически совместимой пористой полиэфирсульфоновой мембраны с эквивалентным диаметром пор не более 450 нм, занимающей 80% площади наружной поверхности устройства.
Причем до создания замкнутой емкости во внутреннюю полость обоих устройств вводили суспензию Pseudomonas aeruginosa.
Полученные устройства имплантировали в брюшную полость двум морским свинкам. При этом в брюшную полость одного из животных ежедневно вводили псевдомонадный бактериофаг. В течение всего периода наблюдения за животными не было выявлено клинико-лабораторных признаков генерализации инфекции.
Через 3 недели устройства извлекли из брюшной полости животных.
При осмотре внутренней полости устройства, извлеченного из брюшной полости животного, не получавшего псевдомонадный бактериофаг, были выявлены сформированные бактериальные биопленки Pseudomonas aeruginosa.
При осмотре внутренней полости устройства, извлеченного из брюшной полости животного, получавшего псевдомонадный бактериофаг, сформированные бактериальные биопленки Pseudomonas aeruginosa не были выявлены.
Таким образом полученное устройство позволило моделировать in vivo бактериальную биопленку в инкапсулированном, ограниченном инфекционном очаге в виде инфицированной полости без опасности генерализации инфекции. Кроме того, устройство обеспечило возможность изучения воздействия на бактерии и их биопленки противомикробного агента - псевдомонадного бактериофага.
3
Пример 3. Получены два устройства в форме усеченного икосаэдра для моделирования бактериальных биопленок в инфицированной полости, выполненные в виде непроницаемой для бактерий замкнутой емкости с внутренней полостью объемом 100000 мм, стенки которой состоят частично из каркаса с двадцатью выступами внутри замкнутой емкости, выполненного из биологически совместимого материала - из биологически совместимого полимера - полиэфирсульфона, а частично из биологически совместимой пористой поливинилиденфторидной мембраны с эквивалентным диаметром пор не более 450 нм, занимающей 1% площади наружной поверхности устройства.
Причем до создания замкнутой емкости во внутреннюю полость обоих устройств вводили суспензию Klebsiella pneumoniae.
Полученные устройства имплантировали в брюшную полость двум кроликам. При этом в брюшную полость одного из животных ежедневно вводили клебсиеллезный бактериофаг. В течение всего периода наблюдения за животными не было выявлено клинико-лабораторных признаков генерализации инфекции.
Через 3 недели устройства извлекли из брюшной полости животных.
При осмотре внутренней полости устройства, извлеченного из брюшной полости животного, не получавшего клебсиеллезный бактериофаг, были выявлены сформированные бактериальные биопленки Klebsiella pneumoniae.
При осмотре внутренней полости устройства, извлеченного из брюшной полости животного, получавшего клебсиеллезный бактериофаг, сформированные бактериальные биопленки Klebsiella pneumoniae не были выявлены.
Таким образом полученное устройство позволило моделировать in vivo бактериальную биопленку в инкапсулированном, ограниченном инфекционном очаге в виде инфицированной полости без опасности генерализации инфекции. Кроме того, устройство обеспечило возможность изучения воздействия на бактерии и их биопленки противомикробного агента - клебсиеллезного бактериофага.