An intramedullary nail coated with antibiotic and growth factor nanoparticles: An individualized state-of-the-art treatment for chronic osteomyelitis with bone defects
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Tissue Engineering, Cell Therapy and Regenerative Medicine Unit, Instituto Nacional de Rehabilitación “Luis Guillermo Ibarra Ibarra”, Mexico City, Mexico; School of Medicine, Faculty of Health Sciences, Anahuac University Mexico North Campus, Mexico. Electronic address: berebichezmd@gmail.com.
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Tissue Engineering, Cell Therapy and Regenerative Medicine Unit, Instituto Nacional de Rehabilitación “Luis Guillermo Ibarra Ibarra”, Mexico City, Mexico; School of Medicine, Faculty of Health Sciences, Anahuac University Mexico North Campus, Mexico.
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Tissue Engineering, Cell Therapy and Regenerative Medicine Unit, Instituto Nacional de Rehabilitación “Luis Guillermo Ibarra Ibarra”, Mexico City, Mexico.
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Department of Orthopaedic Surgery, American British Cowdray Medical Center, Mexico City, Mexico.
Med Hypotheses. 2017 Aug;105:63-68. doi: 10.1016/j.mehy.2017.06.023. Epub 2017 Jun 28.
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Abstract
Among various infections, chronic osteomyelitis is one of the most challenging in terms of treatment. This infection is more common among patients with open fractures and those who have undergone elective orthopedic procedures. The treatment of osteomyelitis requires high antibiotic doses and an aggressive and multifaceted surgical approach. The use of parenteral antibiotics alone, without debridement, is not sufficiently effective, due to the formation of sequestra and the low vascularity of the affected area. The surgical options available for patients with chronic osteomyelitis include sequestrectomy, curettage, and intramedullary reaming, although these procedures usually result in bonedefects that require further surgical intervention. Polymethyl methacrylate or calcium phosphate beads, impregnated with antibiotics, are commonly placed in such cases; however, this option has several disadvantages, including the need for future removal of cement, uncontrollable local release of antibiotics, and the need for broad-spectrum agents. The resulting bone defects also require additional treatments involving vascularized fibula grafting, intramedullary nails, use of techniques like Masquelet and Ilizarov, and even soft tissue transfers. All of these methods have certain limitations, such as the eventual requirement of more than one surgical event. Certain growthfactors aid in the development and vascularization of new bone, such as bone morphogenetic proteins (BMPs) and insulin-like growth factor I (IGF-1). We propose that nanoparticles of BMPs, IGL-1, and microorganism-specific antibiotics can be placed on the surface of intramedullary nails. These nanoparticles can be attached to various different polymeric materials such as poly(d,l-lactide), which is a biocompatible and biodegradable polymer, and can be positioned in several layers, to ensure controlled and systematic release. The placement of nanoparticles at the infection site alone will also ensure local delivery of the drugs only to the required areas. Moreover, these intramedullary nails will be useful for both infected non-unions and mal-unions. Over time, the nanoparticles will eradicate the infection and stimulate new healthy bone formation, whereas the intramedullary nail itself will provide constant stability and immobilization. This model provides new and revolutionary ideas for the development of individualized technologies in medicine.
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KEYWORDS:
Bone morphogenetic protein; Individualized medicine; Insulin-like growth factor I; Intramedullary nail; Nanoparticles; Osteomyelitis; Polymer
Resumen
Entre las diversas infecciones, la osteomielitis crónica es una de las más difíciles en términos de tratamiento. Esta infección es más común entre los pacientes con fracturas expuestas y aquellos que han sido sometidos a procedimientos electivos ortopédicos. El tratamiento de la osteomielitis requiere altas dosis de antibióticos y un abordaje quirúrgico agresivo y multifacético. El uso de antibióticos parenterales solos, sin desbridamiento, no es suficientemente eficaz, debido a la formación de secuestro y la baja vascularidad del área afectada. Las opciones quirúrgicas disponibles para los pacientes con osteomielitis crónica incluyen remoción quirúrgica del “secuestro”, curetaje y exaltación intramedular, aunque estos procedimientos usualmente resultan en defectos benignos que requieren mayor intervención quirúrgica. En este tipo de casos se colocan habitualmente perlas de metacrilato de metilo o de fosfato de calcio, impregnadas con antibióticos; Sin embargo, esta opción tiene varias desventajas, incluyendo la necesidad de una futura eliminación de cemento, liberación local incontrolable de antibióticos y la necesidad de agentes de amplio espectro. Los defectos óseos resultantes también requieren tratamientos adicionales que implican el injerto de peroné vascularizado, las clavos intramedulares, el uso de técnicas como Masquelet e Ilizarov, e incluso transferencias de tejidos blandos. Todos estos métodos tienen ciertas limitaciones, como el eventual requisito de más de un evento quirúrgico. Algunos factores de crecimiento ayudan en el desarrollo y la vascularización del hueso nuevo, tales como las proteínas morfogenéticas óseas (BMPs) y el factor de crecimiento similar a la insulina I (IGF-1). Proponemos que las nanopartículas de BMPs, IGL-1, y los antibióticos específicos se pueden colocar en la superficie de los clavos intramedulares. Estas nanopartículas pueden unirse a diversos materiales poliméricos tales como poli (d, l-lactida), que es un polímero biocompatible y biodegradable, y puede colocarse en varias capas, para asegurar una liberación controlada y sistemática. La colocación de nanopartículas en el sitio de la infección por sí sola también garantizará la entrega local de los medicamentos sólo a las áreas requeridas. Además, estos clavos intramedulares serán útiles tanto para las pseudoartrosis infectadas como para las malas uniones. Con el tiempo, las nanopartículas erradicarán la infección y estimularán una nueva formación ósea sana, mientras que el clavo intramedular mismo proporcionará estabilidad e inmovilización constantes. Este modelo proporciona ideas nuevas y revolucionarias para el desarrollo de tecnologías individualizadas en medicina.
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PALABRAS CLAVE:
Proteína morfogenética ósea; Medicina individualizada; Factor de crecimiento similar a la insulina I; Clavo intramedular; Nanopartículas; Osteomielitis; Polímero
PMID: 28735655 DOI:
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