ミトコンドリア呼吸鎖の活性酸素発生を利用した表面拘束型圧電触媒による超音波駆動型非侵襲的インプラント感染症治療

Surface-Confined Piezocatalysis Inspired by ROS Generation of Mitochondria Respiratory Chain for Ultrasound-Driven Noninvasive Elimination of Implant Infection.

抄録

インプラント関連感染症（IAI）は、医療や人々の健康にとって大きな課題ですが、現在の臨床治療では、抗生物質の使用や感染組織やインプラントの物理的除去に限られています。我々は、細菌侵入時の免疫細胞のミトコンドリア呼吸過程におけるタンパク質/膜複合体構造とその活性酸素発生に着想を得て、IAI対策として効率的なピエゾ触媒作用を実現するために、ポリマーインプラント表面に埋め込まれた金属/圧電ナノ構造体を提案します。圧電効果による局所電子放電とインプラントと細菌の界面で発生する誘導酸化ストレスにより、超音波刺激を与えるだけで、付着した細胞膜破壊や糖エネルギー枯渇の活動を効率的に抑制し、高い生体適合性を有し、皮下感染症を除去できる。さらに、生体外のヒトの歯に埋め込んだピエゾ式ガッタパーチャを用いることで、簡便な手順で根管再感染を治療することができることを実証しています。このように、限られた感染間隙、ポリマー加工の容易さ、音波治療の非侵襲性を利用した表面拘束型圧電触媒抗菌戦略は、IAI治療への応用が期待される。

Implant-associated infections (IAI) are great challenges to medical healthcare and human wellness, yet current clinical treatments are limited to the use of antibiotics and physical removal of infected tissue or the implant. Inspired by the protein/membrane complex structure and its generation of reactive oxygen species in the mitochondria respiration process of immune cells during bacteria invasion, we herein propose a metal/piezoelectric nanostructure embedded on the polymer implant surface to achieve efficient piezocatalysis for combating IAI. The piezoelectricity-enabled local electron discharge and the induced oxidative stress generated at the implant-bacteria interface can efficiently inhibit the activity of the attachedby cell membrane disruption and sugar energy exhaustion, possess high biocompatibility, and eliminate the subcutaneous infection by simply applying the ultrasound stimulation. For further demonstration, the treatment of root canal reinfection with simplified procedures has been achieved by using piezoelectric gutta-percha implanted in ex vivo human teeth. This surface-confined piezocatalysis antibacterial strategy, which takes advantage of the limited infection interspace, easiness of polymer processing, and noninvasiveness of sonodynamic therapy, has potential applications in IAI treatment.