Les patients porteurs de dispositifs médicaux implantés tels que les arthroplasties orthopédiques, les stimulateurs cardiaques et les valvules cardiaques artificielles courent un risque faible mais significatif que ces dispositifs soient infectés par des agents pathogènes bactériens. Cela les engage sur un chemin fastidieux nécessitant des interventions chirurgicales de « reprise » (révision), des traitements antibiotiques prolongés ou, dans les cas graves, une amputation. Si les infections se propagent dans le corps des patients, elles peuvent même devenir mortelles.
« Rien qu'aux États-Unis, environ 790 000 arthroplasties totales du genou et plus de 450 000 arthroplasties de la hanche sont actuellement réalisées par des chirurgiens orthopédistes, et jusqu'à 2 à 4 % de ces dispositifs implantés seront infectés », a déclaré Alexander Tatara, MD, Ph.D., professeur adjoint au Southwestern Medical Center de l'Université du Texas à Dallas et premier auteur d'une nouvelle étude qui crée de l'espoir pour la prévention future de telles infections par ces dispositifs. « Ces chiffres soulignent à eux seuls l'urgence de trouver des contre-mesures efficaces et de les proposer rapidement aux patients. »
Les chercheurs poursuivent depuis longtemps l’idée selon laquelle les vaccins pourraient protéger les patients contre l’agent pathogène. Staphylocoque doréla principale cause d’infection des appareils orthopédiques. Mais jusqu’à présent, aucun vaccin efficace n’a été produit malgré de nombreux efforts et plusieurs grands essais cliniques menés par des sociétés pharmaceutiques.
Aujourd'hui, des chercheurs cliniciens et des bio-ingénieurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard et de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de Harvard ont développé une nouvelle stratégie vaccinale susceptible de résoudre le problème de l'infection par le dispositif chez les patients. Leur approche utilise des vaccins à base de biomatériaux injectables et lentement biodégradables, équipés de molécules attirant et stimulant les cellules immunitaires. S. aureus-des antigènes spécifiques. Appliqués à un modèle murin d'infection par un appareil orthopédique, les vaccins ont créé une réponse immunitaire bénéfique qui a réduit la charge bactérienne environ 100 fois plus efficacement que les vaccins témoins conventionnels à durée de vie beaucoup plus courte. Vaccins biomatériaux fabriqués avec des antigènes sensibles aux antibiotiques S. aureus (MSSA) protègent également les dispositifs contre les infections par des bactéries résistantes aux antibiotiques. S. aureus (SARM), ce qui rend les futurs vaccins disponibles dans le commerce destinés à une large utilisation en chirurgie orthopédique une possibilité intéressante. Les résultats sont publiés dans PNAS.
L'étude a été dirigée par David Mooney, Ph.D., membre fondateur du corps professoral du Wyss Institute. Son groupe au Wyss Institute et au SEAS a déjà été pionnier dans la mise au point de vaccins à base de biomatériaux comme nouvelles immunothérapies dans la lutte contre le cancer et, plus récemment, également pour aider à prévenir la septicémie et le choc septique dans des modèles animaux petits et grands. L'équipe de Mooney a montré que ces types de vaccins peuvent activer le système immunitaire avec une grande efficacité contre les cellules tumorales et les agents pathogènes.
Dans cette étude, nous observons le type de réponses immunitaires impliquant des populations spécifiques de lymphocytes T qui auraient pu manquer chez les patients vaccinés avec des vaccins conventionnels lors d'essais cliniques, en plus de S. aureus-des réponses anticorps spécifiques qui sont également produites par les formulations vaccinales solubles. En combinaison avec des collections d'antigènes optimisées dérivées de S. aureus espèces, notre approche pourrait conduire à de nouveaux vaccins à base de biomatériaux susceptibles de sauver des vies et d'améliorer les résultats de santé des patients du monde entier.
David Mooney, Ph.D., membre fondateur du corps professoral du Wyss Institute
Mooney est le directeur pédagogique de la plateforme Immuno-Matériaux du Wyss Institute et également le Professeur de famille Robert P. Pinkas de bio-ingénierie à SEAS.
Protection alimentée par les PAMP
Les vaccins biomatériaux, lors de leur injection, fournissent un terrain d’entraînement moléculaire pour les cellules dendritiques (DC), coordinateurs centraux du système immunitaire qui orchestrent une réponse complexe des lymphocytes T contre l’agent pathogène dans les ganglions lymphatiques voisins. « Pour programmer spécifiquement les DC contre les maladies infectieuses S. aureus bactéries, nous avons incorporé des composants d'antigènes immunogènes dérivés de bactéries perturbées dans nos vaccins, que nous avons capturés à l'aide de la technologie FcMBL du Wyss Institute », a déclaré le co-auteur Michael Super, Ph.D., qui a développé la technologie avec le directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. FcMBL est une protéine immunitaire modifiée capable de se lier à plus de deux cents agents pathogènes différents et à leurs molécules glycosylées exposées en surface, communément appelées « molécules moléculaires associées aux agents pathogènes ». modèles », en abrégé PAMP. « Dans ce vaccin, nous incorporons un répertoire diversifié de centaines de vaccins liés au FcMBL. S. aureus Les antigènes PAMP, au lieu d'un ou de quelques antigènes contenus dans les vaccins conventionnels, permettent un transfert efficace d'antigènes vers les CD après l'injection de nos vaccins à des souris », a déclaré Super, directeur des immunomatériaux du Wyss Institute.
Chez des souris que les chercheurs ont vaccinées avec leur vaccin biomatériau et provoquées par des agents pathogènes S. aureus bactéries, cette stratégie a réduit la charge bactérienne globale beaucoup plus efficacement que les vaccins témoins solubles contenant les mêmes composants moléculaires. « Probablement en étant capables d'engager le système immunitaire de manière soutenue et hautement concertée, nos vaccins biomatériaux sont capables d'activer des types distincts de cellules dites T auxiliaires qui commencent à sécréter un certain nombre de molécules de cytokines protectrices. Les vaccins solubles conventionnels, dont les composants moléculaires se diffusent rapidement dans les tissus dans lesquels ils sont injectés, étaient moins efficaces », a déclaré Tatara, qui a dirigé le projet lorsqu'il était chercheur clinique dans le groupe de Mooney à l'Institut. « Nous devrons déterminer de manière beaucoup plus approfondie quelles parties du système immunitaire sont exactement responsables et coopérer pour provoquer les effets protecteurs », a ajouté Tatara.
Preuve de vaccination
L'équipe a traduit leurs observations dans un modèle murin d'infection réelle par un appareil orthopédique dans lequel un petit appareil est implanté dans l'une des pattes postérieures de l'animal et infecté avec une dose de pathogène. S. aureusbactéries. Cinq semaines avant l’intervention chirurgicale, ils ont commencé à vacciner les animaux avec des biomatériaux et des vaccins témoins solubles. Lorsque les chercheurs ont quantifié les bactéries qui parvenaient à se développer sur les dispositifs implantés, ils ont découvert que leur stratégie en matière de biomatériaux supprimait la croissance bactérienne environ 100 fois plus fortement que la formulation du vaccin soluble.
« Ce qui est important, c'est que nous avons découvert qu'un vaccin biomatériau que nous avions fabriqué avec des antigènes de type 'sensible à la méthicilline' S. aureus » (MSSA) peuvent également protéger les dispositifs implantés contre une infection ultérieure par des souches résistantes à la méthicilline (SARM), qui constituent un gros problème en milieu hospitalier », a déclaré Tatara. « Essayer également de déterminer quels PAMP stimulent le plus le système immunitaire ouvre une nouvelle voie de recherche qui pourrait conduire à des vaccins plus minimes, mais très efficaces. » L'équipe de Mooney a montré que cette approche pourrait en effet être enrichissante. S. aureus souche, identifiant une signature PAMP, puis utilisant l'un des PAMP comme antigène unique dans un vaccin biomatériau, ils pourraient déjà fournir un certain niveau de protection du dispositif chez la souris. « On pourrait imaginer un avenir dans lequel les chercheurs cliniques identifieraient rapidement les PAMP pertinents dans des contextes spécifiques aux patients. S. aureus souches obtenues grâce à des procédures simples non invasives avant les interventions chirurgicales pour produire des vaccins biomatériaux personnalisés efficaces qui protègent les appareils orthopédiques implantés contre les infections », a déclaré Tatara.
« Cette étude réalisée par Dave Mooney et son équipe présente une solution élégante et efficace pour prévenir les infections chez les patients recevant une arthroplastie. Mais au-delà des implants orthopédiques, elle pourrait également devenir une protection polyvalente et facile à appliquer pour de nombreux autres types de dispositifs résidant pendant des périodes prolongées dans le corps humain et pouvant créer des problèmes similaires », a déclaré Ingber, qui est également le Professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et au Boston Children's Hospital, et au Professeur Hansjörg Wyss d'ingénierie d'inspiration biologique chez SEAS.
L'étude a également été rédigée par Shanda Lightbown, Shawn Kang, Wei-Hung Jung, Hamza Ijaz, Jean Lee et Sandra Nelson. Il a été soutenu par des récompenses des National Institutes of Health (prix n° T32 AI007061 et NIH K08 AI180362), de Harvard Catalyst (prix n° UM1TR004408), ainsi que par des contributions financières du Wyss Institute et de l'Université Harvard avec ses centres de santé universitaires affiliés.
