与使用医疗器械相关的感染可能会对患者造成严重的后果。由于微生物膜的持久性和耐药微生物的存在，这类医疗保健相关感染往往具有挑战性。通过使用具有抗菌效果的医疗器械，可以降低器械相关感染的风险。美国食品和药物管理局K. Scott Phillips 教授及其团队在综述中讨论了具有抗菌效果的医疗设备的临床前性能测试，包括体外策略、动物模型和计算模型。通过检查了抗菌骨水泥、导尿管、静脉导管和伤口敷料的临床性能，需要合理的临床前测试策略来获取信息，以估计一种设备在临床使用中对患者的受益程度。并概述了体外模型、微生理系统、类器官和芯片上的医疗设备作为补充测试策略的潜力。为了将临床前测试从工作台转移到床边，提出了一种使用基于问题的标题来解决医疗设备交互的许多相关方面的系统方法。相关综述内容以题为“Preclinical performance testing of medical devices with antimicrobial effects”的论文于2023年4月24日发表在《Nature Reviews Bioengineering》期刊。

【文章要点】

（1）与医疗设备相关的感染是一项重大的公共卫生挑战，可以通过具有抗菌效果的设备来部分减轻。

（2）微生物膜在器械相关感染的发病机制中起着重要的作用，是一种具有抗菌作用的器械的关键靶点。

（3）临床前性能测试对于理解医疗器械的抗菌药物性能和安全性至关重要。

（4）医疗设备的体外抗菌性能测试可以通过一种系统方法来改进，以开发一种测试策略，并开发改进的格式，如体外组织模型、微生理系统、类器官和芯片上的医疗设备。

在生物材料存在的情况下，细菌更容易建立持久的感染，同时研究细菌、宿主和生物材料之间的多种相互作用仍然很困难，一系列事件可导致感染性发病机制（图1a）。生物膜的存在使一些抗菌素狭窄的治疗窗口进一步加剧（图1b），生物膜可以通过物理化学相互作用减缓药物的扩散和固定。

图1 对医疗器械植入物的生物反应

【模拟体内环境】

基于组织的导管腔外迁移模型可用于估计抗生物膜策略，可以延迟细菌在导管-皮肤界面上迁移的时间；芯片上的医疗设备可用于研究细菌与隐形眼镜上的人类眼泪的相互作用；同样，芯片上的软骨模型uKnee可用于测试抗菌生物材料（图2a）。对于旨在测量生物膜根除的测试，被测试的微生物负载和体内生物膜治疗的限制步骤之间往往存在脱节。例如，对于流式细胞中生物材料上形成的厚生物膜，抗菌性能测试通常能使CFUs减少3-log（99.9%）；通过医疗器械评估微生物粘附预防的试验时间通常与体内粘附过程的时间不同，然而如果在较长的终点测量，该装置的抗菌效果可能会降低，部分原因是微生物超载、稀释或抗菌药物的消耗（图2b）。

图2 用体外技术测试抗菌医疗设备

【展望】

考虑到医疗保健相关感染的公共卫生威胁，开发和测试具有抗菌效果的医疗设备的路线图需要改进。抗菌素对已建立的生物膜的作用有限，而且其毒性也令人担心。重要的是，应该考虑到抗菌药物的管理作用。此外，将微生物作为共生生物，医疗保健相关感染的治疗将受益于对微生物行为和微生物群落的洞察。

体外组织模型可以作为体外和体内测试之间的中间形式。此外，基于芯片上的医疗设备的组织培养系统可以整合微生物和免疫细胞，以模拟针对医疗设备的免疫反应。通过计算模拟的补充，一个系统方法可以因此加强临床前模型和临床结果之间的联系。然而，在这些系统能够取代体内测试之前，还存在着相当大的障碍。这些模型面临的一个关键挑战是将哺乳动物细胞与细菌共培养，如果不利于哺乳动物细胞或病原体，就很难长期维持。另一个挑战是芯片上免疫系统的实现。理想情况下，芯片上的一个单独的隔间可以容纳该系统，让细胞巡逻病原体，并通过发送额外的免疫反应成分来做出反应。与动物模型相比，在体外创造可控的、可重复的条件的能力能够更好地理解驱动安全性和性能的化学和生物机制。

为了就临床前检测达成共识，利益相关者必须就临床前路线图达成一致，并定期开会以纳入科学见解。设备和放射健康中心（CDRH）将继续促进与利益攸关方的持续对话，以支持患者获得安全有效的医疗设备。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s44222-023-00060-6.