ポリヘキサメチレングアニジン（PHMG）を担持したTiOナノチューブの抗菌活性のin vitroおよびin vivo評価

In vitro and in vivo evaluation of antibacterial activity of polyhexamethylene guanidine (PHMG)-loaded TiO nanotubes.

• Fengfeng Wu
• Juntao Xu
• Ruijian Yan
• Bin Hu
• Guoqi Li
• Mingchao Jin
• Xuesheng Jiang
• Jianyou Li
• Pan Tang
• Junkun Zhu
• Shigui Yan

抄録

人工関節置換術は、末期変性関節疾患の治療に有効な手術法であるが、人工関節の末梢細菌感染は手術効果を損なう可能性がある。ここでは、ポリヘキサメチレングアニジン（PHMG）で被覆した二酸化チタンナノチューブ（TNT）の抗菌効果をin vitroおよびin vivo実験により検討した。細孔径46.4±5.9 nm、長さ300〜500 nmのスライスと650〜800 nmのロッドを陽極酸化により作製した。その後、TNTスライス上に3.46±0.40mg、ロッド上に1.27±0.28mgのPHMGをそれぞれコーティングした。PHMGの放出のin vitro研究は、抗菌剤は、初期のバースト放出と比較的遅い放出の2段階で放出されることを示した。インビトロおよびインビボでの抗菌試験の結果、PHMGを担持したTNT（PHMG-TNT）は、細菌感染を予防するための優れた抗菌能力を有することが示された。ウサギ大腿骨の臨床病理学的解析では、移植したPHMG-TNTは明らかな病理学的変化がないことが示された。また、インプラント周囲の大腿骨組織のリアルタイム定量的逆転写ポリメラーゼ連鎖反応解析を行ったところ、ラント関連転写因子2、オステオカルシン、アルカリホスファターゼ、骨シアルプロテイン、骨形態形成蛋白質2、血管内皮増殖因子Aなどの骨形成関連遺伝子の発現が、他の群と比較してPHMG-TNTを移植した群で有意に上昇していることが示された。全体的に、これらの知見は、整形外科における抗菌性および骨生体適合性のあるチタンベースのインプラントの作製のための有望なアプローチを提供する。

Artificial joint replacement is an effective surgical method for treating end-stage degenerative joint diseases, but peripheral bacterial infection of prosthesis can compromise the effect of the surgery. Herein, antibacterial effects of titanium dioxide nanotubes (TNTs) coated with polyhexamethylene guanidine (PHMG) were examined via in vitro and in vivo experiments. TNTs with a pore diameter 46.4 ± 5.9 nm and length of 300-500 nm for the slice and 650-800 nm for the rod were fabricated by anodization. Then, 3.46 ± 0.40 mg and 1.27 ± 0.28 mg of PHMG were coated onto the TNT slice and rod, respectively. In vitro studies of the release of PHMG showed that the antibacterial agent was released in two stages: initial burst release and relatively slow release. In vitro and in vivo antibacterial studies showed that the PHMG-loaded TNTs (PHMG-TNTs) had excellent antibacterial abilities to prevent bacterial infections. Clinical pathological analysis of rabbit femurs indicated that the implanted PHMG-TNTs had no apparent pathological changes. Real-time quantitative reverse transcription polymerase chain reaction analysis of the femur tissues around the implants showed that the expression of osteogenic-related genes, including runt-related transcription factor 2, osteocalcin, alkaline phosphatase, bone sialoprotein, bone morphogenetic protein 2 and vascular endothelial growth factor A, was significantly upregulated in the PHMG-TNT implanted group as compared to the other groups. Overall, these findings provide a promising approach for the fabrication of antibacterial and bone biocompatible titanium-based implants in orthopedics.