In vivo imaging models for testing the inflammatory potential of  implant materials and infection

Rais, Bushra

doi:10.24355/dbbs.084-201509161137-0

Published

In vivo imaging models for testing the inflammatory potential of implant materials and infection

English
German

Novel medical implant materials are in increasing demand. Conventional implants fail due to lack of proper integration into host tissue or due to bacterial infections. Microbial implant infections are a significant clinical problem due to their resistance to conventional antibiotics. There is a need of dedicated implant materials with improved biological properties. Novel implant materials need to be tested in vivo before going to clinics. Traditionally, histology was used to evaluate material- tissue interactions but this method requires animal sacrifice and only a single time point can be analyzed. Here, we developed in vivo models that have the ability to distinguish inflammatory implant material response from the wounding response and from bacterial infections. Non-invasive imaging was used for visualization and quantification of biomaterial induced inflammation. Initially, reactive products of inflammation such as reactive oxygen species, proteases and inflammatory cell growth stimulatory molecules were visualized using fluorescent imaging. With these approaches, highly inflammatory materials could be differentiated from the biocompatible implants. However, the technique suffered from high background and from autofluorescence of tissue. For this reason, adoptively transferred bioluminescent immune cells were used to evaluate the inflammatory potential of implant materials. Immune cells were isolated from luciferase expressing murine bone marrow. The luminescence was controlled by a promoter that was further stimulated by bacterial infections that enabled to visualize and quantify the luminescence of immune cells at the site of inflammation in vivo. Several materials of different inflammatory potential were tested. Inflammatory and infected biomaterials showed clear difference in signal intensity when compared to biocompatible materials or injury. The highest signal was observed from infection. Polystyrene and the wound suture material poly lactic-co-glycolic acid (PLGA) implants acted inflammatory in this assay. Thus, bioluminescent immune cells provided a non-invasive, reliable and sensitive readout that correlated with the inflammatory potential of materials. This method may be used for evaluating the inflammatory potential of new implant materials or implant coatings and may be further developed as method for early detection of implant infections in the clinic.

Es gibt einen zunehmenden Bedarf an neuen medizinischen Implantatmaterialien. Herkömmliche Implantate können aufgrund fehlender Integration ins Wirtsgewebe oder durch bakterielle Infektionen versagen. Mikrobielle Infektionen sind ein großes klinisches Problem aufgrund ihrer Antibiotikaresistenz. Es besteht ein Bedarf an dedizierten Implantatmaterialien mit verbesserten Eigenschaften. Neuartige Implantatmaterialien müssen charakterisiert werden. Traditionell wurde die Histologie verwendet, aber diese Methode erfordert Tieropfer und es kann nur jeweils ein Zeitpunkt analysiert werden. In dieser Arbeit wurden in vivo-Modelle etabliert um entzündliche Implantatmaterialien und bakterielle Infektionen zu detektieren. Nicht-invasive Bildgebung wurde zur Visualisierung und Quantifizierung von Biomaterial-induzierten Entzündungen verwendet. Anfänglich wurden Entzündungsprodukte, wie reaktive Sauerstoffspezies, Proteasen und entzündliches Zellwachstum stimulierende Moleküle mittels Fluoreszenz visualisiert. Mit diesen Ansätzen können entzündliche Materialien von biokompatiblen Implantaten unterschieden werden. Allerdings litt die Empfindlichkeit unter der hohen Autofluoreszenz vom Gewebe. Zur Verbesserung der Empfindlichkeit wurden biolumineszente Immunzellen benutzt um das Entzündungspotential von Implantatmaterialien zu bewerten. Diese Immunzellen wurden aus dem Knochenmark von Luziferase exprimierenden Mäusen isoliert. Die Luziferase wurde durch einen Promotor gesteuert, der durch bakterielle Infektion in vivo aktiviert wurde. Mehrere Materialien mit unterschiedlichem Entzündungspotenzial wurden getestet. Entzündliche und infizierte Biomaterialien zeigten einen deutlichen Unterschied in der Signalintensität im Vergleich zu biokompatiblen Materialien oder blosse Verletzung. Polystyrol und Polylaktat-co-Glykolsäure (PLGA) Implantate waren entzündlich. Die biolumineszierenden Immunzellen ergaben ein nicht-invasives, zuverlässiges und empfindliches Verfahren, um das Entzündungspotential von Biomaterialien zu bestimmen. Dieses Verfahren kann für die Bewertung des Entzündungspotenzials der neuen Implantatmaterialien oder Beschichtungen verwendet werden, und könnte ferner als Verfahren zur Früherkennung von Implantatinfektionen in der Klinik weiter entwickelt werden.