IT202200000689A1 - USE OF DYES IN THE SELECTIVE IDENTIFICATION OF INFECTED SITES IN BIOFILM-RELATED INFECTIONS - Google Patents

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IT202200000689A1
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Oreste Tarallo
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Marco Balato
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Marco Balato
Giovanni Balato
Oreste Tarallo
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Description

BREVETTO PER MODELLO DI UTILITA? PATENT FOR UTILITY MODEL?

TITOLO: IMPIEGO DI COLORANTI NELL?IDENTIFICAZIONE SELETTIVA DI SITI INFETTI NELLE INFEZIONI BIOFILM CORRELATE TITLE: USE OF DYES IN THE SELECTIVE IDENTIFICATION OF INFECTED SITES IN BIOFILM-RELATED INFECTIONS

DESCRIZIONE DESCRIPTION

1-CAMPO TECNICO 1-TECHNICAL FIELD

La presente invenzione riguarda l?impiego di coloranti, loro miscele e complessi metallici da essi ottenuti, in forma di soluzione, sospensione, emulsione o spray, per l?identificazione selettiva di siti infetti nel corso del trattamento chirurgico di osteomieliti, infezioni di cute e tessuti molli ed infezioni peri-protesiche e dei mezzi di sintesi. The present invention concerns the use of dyes, their mixtures and metal complexes obtained from them, in the form of a solution, suspension, emulsion or spray, for the selective identification of infected sites during the surgical treatment of osteomyelitis, skin infections and soft tissues and peri-prosthetic and fixation infections.

2-STATO DELL?ARTE 2-STATE OF THE ART

La quasi totalit? delle infezioni microbiche nel corpo umano sono correlate alla formazione di biofilm che contribuisce, in maniera significativa, alla morbilita? e mortalita?, specialmente in ambiente ospedaliero Understanding biofilm resistance to antibacterial agents. Nat Rev Drug Discov. 2003; 2:114-122]. Molte di queste, sono infezioni correlate all?uso di dispositivi medici come cateteri venosi centrali, cateteri urinari, valvole cardiache, protesi articolari, dispositivi intrauterini, lenti a contatto, protesi dentarie acriliche, sulla cui superficie possono aderire popolazioni microbiche. In particolare, le infezioni peri-protesiche come quelle dei mezzi di sintesi rappresentano una delle pi? grandi sfide dal punto di vista diagnostico, chirurgico e di gestione post-operatoria nel campo dell?ortopedia, poich? esse sono molto spesso associate a morbilit? elevata, necessita? di prolungare il ricovero ospedaliero e, quindi, ad un aumento dei costi assistenziali. Tipicamente, l?incidenza di tale complicanza varia dallo 0.5% al 2% di tutti gli interventi di sostituzione protesica [ Almost all of microbial infections in the human body are related to the formation of biofilm which significantly contributes to morbidity? and mortality?, especially in hospital environments Understanding biofilm resistance to antibacterial agents. Nat Rev Drug Discov. 2003; 2:114-122]. Many of these are infections related to the use of medical devices such as central venous catheters, urinary catheters, heart valves, joint prostheses, intrauterine devices, contact lenses, acrylic dental prostheses, on whose surface microbial populations can adhere. In particular, peri-prosthetic infections such as those of synthetic media represent one of the most great challenges from the diagnostic, surgical and post-operative management points of view in the field of orthopaedics, since? they are very often associated with morbidity? high, need? to prolong hospitalization and, therefore, to an increase in healthcare costs. Typically, the incidence of this complication varies from 0.5% to 2% of all prosthetic replacement operations [

(2010) The epidemiology of revision total knee arthroplasty in the United States. Clin Orthop Relat Res 468:45-51; (2010) The epidemiology of revision total knee arthroplasty in the United States. Clin Orthop Relat Res 468:45-51;

(2009) The epidemiology of revision total hip arthroplasty in the United States. J Bone Joint Surg Am 91:128-133]. Diversa ? l?incidenza delle infezioni associate ai dispositivi per osteosintesi (chiodi endomidollari, placche, viti, fili, perni di fissazione transcutanei) che varia da 1-2% per fratture chiuse a oltre il 30% per quelle esposte. (2009) The epidemiology of revision total hip arthroplasty in the United States. J Bone Joint Surg Am 91:128-133]. Different ? the incidence of infections associated with osteosynthesis devices (intramedullary nails, plates, screws, wires, transcutaneous fixation pins) which varies from 1-2% for closed fractures to over 30% for open ones.

Indipendentemente dall?incidenza, la difficile gestione terapeutica dei pazienti affetti da questa grave complicanza ? correlata al fatto che le infezioni biofilm correlate sono infezioni che interessano il device (impianto protesico o mezzi di sintesi), i tessuti molli peri-implantari inclusa la cute ed infine l?osso (osteomielite). I batteri che raggiungono il sito chirurgico possono legarsi a diverse molecole, tra le quali il fibrinogeno, nonch? proteine della matrice extracellulare (fibronectina e laminina) e glicosamminoglicani. Queste proteine non solo permettono una colonizzazione superficiale, ma sono anche responsabili di una riduzione dei meccanismi di difesa locali. Una volta aderiti, i batteri si moltiplicano formando delle macrocolonie e successivamente producono una matrice extracellulare (slime). Il biofilm rappresenta una struttura all?interno della quale i batteri e i miceti aumentano la propria resistenza nei confronti del sistema immunitario dell?ospite e degli agenti antimicrobici. Per tali ragioni, la terapia antibiotica, purtroppo, non riesce spesso a eradicare ed eliminare completamente il biofilm ed ? per tale ragione che le infezioni da batteri produttori di biofilm si presentano in modo ricorrente e subdolo, rendendo necessari cicli di terapia antibiotica adeguati associati alla terapia chirurgica che richiede un accurato debridment e la rimozione dell?impianto protesico o dei mezzi di sintesi se trattasi di fratture. Regardless of the incidence, the difficult therapeutic management of patients suffering from this serious complication is related to the fact that biofilm-related infections are infections that affect the device (prosthetic implant or synthesis means), the peri-implant soft tissues including the skin and finally the bone (osteomyelitis). The bacteria that reach the surgical site can bind to various molecules, including fibrinogen, as well as extracellular matrix proteins (fibronectin and laminin) and glycosaminoglycans. These proteins not only allow surface colonization, but are also responsible for a reduction in local defense mechanisms. Once adhered, the bacteria multiply, forming macrocolonies and subsequently produce an extracellular matrix (slime). The biofilm represents a structure within which bacteria and fungi increase their resistance towards the host's immune system and antimicrobial agents. For these reasons, antibiotic therapy, unfortunately, often fails to eradicate and completely eliminate the biofilm and is for this reason, infections caused by biofilm-producing bacteria occur recurrently and insidiously, making it necessary to have adequate cycles of antibiotic therapy associated with surgical therapy which requires careful debridement and the removal of the prosthetic implant or of the fixation devices in the case of fractures.

I principali agenti patogeni responsabili delle infezioni protesiche, ad esempio ma non solo per gli interventi su anca e ginocchio, sono elencati in tabella 1, TAVOLA I. The main pathogens responsible for prosthetic infections, for example but not only for hip and knee operations, are listed in table 1, TABLE I.

Batteri e tecniche di rivelazione Bacteria and detection techniques

I batteri costituiscono l?ecosistema microbico dentro e intorno al nostro corpo. Bacteria make up the microbial ecosystem in and around our body.

La loro classificazione ? principalmente basata sulle differenze nella composizione cellulare, nel metabolismo e nella struttura cellulare. Their classification? mainly based on differences in cellular composition, metabolism and cellular structure.

Ad oggi, i metodi utilizzati per la loro identificazione e classificazione comportano tipicamente fasi di prearricchimento, arricchimento selettivo, screening biochimico e conferma sierologica. Questi metodi sono certamente selettivi e specifici, ma, poich? si basano su una serie di passaggi di arricchimento, i risultati sono spesso difficili da interpretare e non disponibili nella scala temporale desiderata per l?adozione di misure correttive rapide. Ad esempio, metodi quali approcci di analisi genetica, come PCR (reazione a catena della polimerasi), FISH (ibridazione fluorescente in situ), e NGS (Next Generation Sequencing (NGS) o sequenziamento in parallelo) sono potenti tecniche per l?identificazione dei batteri ma, a causa del grande lavoro preparatorio e dell?enorme mole di dati necessari per un?analisi approfondita, sono metodi spesso inappropriati nella diagnosi clinica, che richiede invece rapidit? se non addirittura un monitoraggio in situ e in tempo reale. To date, the methods used for their identification and classification typically involve pre-enrichment, selective enrichment, biochemical screening and serological confirmation steps. These methods are certainly selective and specific, but, since? are based on a series of enrichment steps, the results are often difficult to interpret and not available on the desired time scale for rapid corrective action. For example, methods such as genetic analysis approaches, such as PCR (polymerase chain reaction), FISH (fluorescent in situ hybridization), and NGS (Next Generation Sequencing (NGS) or parallel sequencing) are powerful techniques for identifying bacteria but, due to the great preparatory work and the enormous amount of data necessary for an in-depth analysis, they are often inappropriate methods in clinical diagnosis, which instead requires rapidity. if not even in situ and real-time monitoring.

I metodi per l?identificazione batterica oggi comunemente usati sono inoltre tipicamente caratterizzati da scarsa sensibilit?, e il rilevamento rapido di un numero di cellule limitato (<10 CFU/mL) ? una sfida ancora aperta. Tra le metodiche diagnostiche che prevedono l?utilizzo di coloranti ricordiamo: The methods for bacterial identification commonly used today are also typically characterized by poor sensitivity, and the rapid detection of a limited number of cells (<10 CFU/mL) is a challenge still open. Among the diagnostic methods that involve the use of dyes we remember:

Colorazione di Gram: La colorazione di Gram ? la tecnica standard per la classificazione batterica. Essa si basa sulle diverse propriet? fisiche della struttura della parete cellulare batterica. ? una tecnica piuttosto consolidata ed affidabile ed ? stata applicata alle varie forme di campioni batterici, in coltura e nei tessuti infetti. Gram stain: Gram stain? the standard technique for bacterial classification. It is based on the different properties? physics of the bacterial cell wall structure. ? a rather consolidated and reliable technique and is been applied to various forms of bacterial specimens, in culture and in infected tissues.

Tuttavia, la colorazione di Gram richiede diversi passaggi, ed in particolare la fissazione della cellula batterica, due passaggi di colorazione con due coloranti diversi, una fase finale di decolorazione e lavaggio. Dalla complessit? del metodo derivano alcune limitazioni intrinseche della tecnica: la fase di decolorazione, ad esempio, genera spesso una falsa determinazione del Gram mentre la fase di lavaggio pu? causare una significativa perdita cellulare. However, Gram staining requires several steps, and in particular the fixation of the bacterial cell, two staining steps with two different dyes, a final decolorization and washing step. From the complexity? of the method derive some intrinsic limitations of the technique: the decolorization phase, for example, often generates a false determination of the Gram while the washing phase can? cause significant cell loss.

Saggio mediante utilizzo del cristal violetto (CV): la colorazione utilizzando il cristal violetto (CV) ? uno dei primi metodi adottati per la quantificazione della biomassa del biofilm batterico [ Assay using crystal violet (CV): staining using crystal violet (CV)? one of the first methods adopted for the quantification of bacterial biofilm biomass [

Adherence of coagulase-negative staphylococci to plastic tissue culture plates: a quantitative model for the adherence of staphylococci to medical devices. J Clin Microbiol 1985; 2: 996- 1006; Adherence of coagulase-negative staphylococci to plastic tissue culture plates: a quantitative model for the adherence of staphylococci to medical devices. J Clin Microbiol 1985; 2: 996-1006;

A modified microtiter-plate test for quantification of staphylococcal biofilm formation. J Microbiol Methods 2000; 40: 175-9]. Questo metodo consiste nella colorazione di molecole con carica negativa mediante l?utilizzo di cloruro di esametilpararosanilina (CV). I limiti di questo metodo sono in relazione alla scarsa riproducibilit?, correlata alla crescita del biofilm, alla natura specifica e alla concentrazione del solvente utilizzato e ai tempi di eluizione. Inoltre, poich? sia le cellule viventi che quelle morte, cos? come la matrice del biofilm sono colorate con CV, questo metodo non fornisce informazioni su il numero effettivo di batteri viventi e pertanto ? scarsamente adatto per la valutazione dell'efficacia anti-biofilm di sostanze antimicrobiche. A modified microtiter-plate test for quantification of staphylococcal biofilm formation. J Microbiol Methods 2000; 40: 175-9]. This method consists of staining negatively charged molecules using hexamethylpararosaniline (CV) chloride. The limitations of this method are related to the poor reproducibility, related to the growth of the biofilm, the specific nature and concentration of the solvent used and the elution times. Furthermore, since? both living and dead cells, so? as the biofilm matrix are stained with CV, this method does not provide information on the actual number of living bacteria and therefore ? poorly suited for evaluating the anti-biofilm efficacy of antimicrobial substances.

Saggio mediante utilizzo del 1,9-dimetil blu di metilene (DMMB): questo metodo ? basato sulla considerazione che il colorante cationico DMMB rileva l'adesina polisaccaridica intercellulare (PIA) che rappresenta uno dei principali costituenti della matrice extracellulare che compone il biofilm dello S. aureus. Questo metodo ? facile da eseguire, economico e richiede poco tempo di esecuzione. La principale limitazione sembra essere quello che ? limitato all'identificazione di quelle poche specie batteriche come lo stafilococco aureo in cui tale molecola sia presente nella matrice del biofilm. Assay using 1,9-dimethyl methylene blue (DMMB): this method is based on the consideration that the cationic dye DMMB detects the intercellular polysaccharide adhesin (PIA) which represents one of the main constituents of the extracellular matrix that makes up the S. aureus biofilm. This method? easy to perform, economical and requires little execution time. The main limitation seems to be what ? limited to the identification of those few bacterial species such as Staphylococcus aureus in which this molecule is present in the biofilm matrix.

Saggio mediante utilizzo della fluorescina-di-acetato (FDA): questa tecnica prevede l'utilizzo della fluorescina-di-acetato (FDA), che rappresenta un colorante solubile e per tali ragioni oltrepassa la membrana cellulare. Dopo assorbimento batterico, la FDA ? idrolizzata dall'esterasi batterica producendo la florescina che emette una fluorescenza di colore giallo il cui segnale pu? essere quantificato mediante l'utilizzo di uno spettrofotometro. Sebbene questo metodo sia facile da eseguire e poco costoso, non ? ampiamente utilizzato in quanto non ? particolarmente adatto per studi quantitativi su biofilm maturo, producendo solo risultati semiquantitativi [ Assay using fluorescein-di-acetate (FDA): this technique involves the use of fluorescein-di-acetate (FDA), which represents a soluble dye and for these reasons penetrates the cell membrane. After bacterial absorption, the FDA ? hydrolysed by bacterial esterase producing florescin which emits yellow fluorescence whose signal can be quantified using a spectrophotometer. Although this method is easy to perform and inexpensive, it is not? widely used as it is not ? particularly suitable for quantitative studies on mature biofilm, producing only semi-quantitative results [

Comparison of three assays for the quantification of Candida biomass in suspension and CDC reactor grown biofilms. J Microbiol Methods 2005; 63: 287-95]. Comparison of three assays for the quantification of Candida biomass in suspension and CDC reactor grown biofilms. J Microbiol Methods 2005; 63: 287-95].

Saggio mediante utilizzo di colorante Live/Dead: Questo metodo si basa sull'uso di due diversi coloranti di acidi nucleici che differiscono nella loro capacit? di penetrare le cellule batteriche. Il primo colorante ?SYTO 9 green fluorescent nucleic acid stain? ? un prodotto commerciale in grado di attraversare tutte le membrane batteriche e legarsi al DNA sia Gram-positivi e batteri gram-negativi. Il secondo colorante ? di colore rosso fluorescente (propidio-ioduro) che attraversa le membrane batteriche danneggiate. In tal modo i batteri con membrana plasmatica integra (identificati come vitali), colorati con SYTO 9, emettono fluorescenza verde, mentre quelli con membrana danneggiata, colorati con PI, risultano colorati in rosso. Live/Dead Dye Assay: This method is based on the use of two different nucleic acid dyes that differ in their ability to dye. to penetrate bacterial cells. The first dye ?SYTO 9 green fluorescent nucleic acid stain? ? a commercial product capable of crossing all bacterial membranes and binding to DNA in both Gram-positive and Gram-negative bacteria. The second dye? red fluorescent (propidium iodide) that passes through damaged bacterial membranes. In this way, bacteria with an intact plasma membrane (identified as viable), stained with SYTO 9, emit green fluorescence, while those with a damaged membrane, stained with PI, are colored red.

Recentemente, anche diversi antibiotici-derivati sono stati segnalati come nuove sonde batteriche, ma la loro attivit? biologica pu? interferire con la funzione batterica insieme al potenziale problema della resistenza antimicrobica. Recently, several antibiotic-derived antibiotics have also been reported as new bacterial probes, but their activity? biological can? interfere with bacterial function along with the potential problem of antimicrobial resistance.

Una sonda ideale dovrebbe essere selettiva per tutti i batteri Gram-positivi e Gram-negativi senza alcuna interferenza biologica e non dovrebbe richiedere alcuna fase di lavaggio o decolorazione per evitare complicazioni nella gestione del campione e nell?analisi dei dati. An ideal probe should be selective for all Gram-positive and Gram-negative bacteria without any biological interference and should not require any washing or decolorization steps to avoid complications in sample handling and data analysis.

Allo stesso modo, negli ultimi anni si ? assistito ad un drammatico aumento di batteri resistenti negli ospedali e nelle strutture sanitarie in genere, dovuti all'uso eccessivo di antibiotici e ad una pulizia non scrupolosa, non efficace o non adeguata dovuta anche alla mancanza di un test rapido e poco costoso per verificare l?effettiva sanificazione delle superfici e/o delle apparecchiature e strumenti utilizzati. Anche nel settore della trasformazione alimentare infine il rilevamento di livelli dannosi di microbi ? molto importante per assicurare la qualit? del prodotto al consumatore finale. Anche in questo caso, al fine di garantire la sicurezza dell'approvvigionamento alimentare, il monitoraggio veloce ed economico dei livelli di microbi nell'industria della trasformazione alimentare ? fondamentale. Likewise, in recent years yes? witnessed a dramatic increase in resistant bacteria in hospitals and healthcare facilities in general, due to the excessive use of antibiotics and careless, ineffective or inadequate cleaning also due to the lack of a rapid and inexpensive test to verify the ?effective sanitization of surfaces and/or equipment and tools used. Finally, even in the food processing sector, the detection of harmful levels of microbes? very important to ensure quality? of the product to the final consumer. Again, in order to ensure the safety of the food supply, fast and economical monitoring of microbe levels in the food processing industry ? fundamental.

Coloranti e le nanoparticelle metalliche Dyes and metal nanoparticles

I coloranti sono molecole organiche caratterizzate dalla presenza di un gruppo, detto cromoforo, che conferisce al colorante le caratteristiche propriet? di assorbimento della luce. I cromofori sono in genere rappresentati da anelli aromatici e/o catene di atomi di carbonio legati da doppi legami, tra di loro coniugati, in modo da garantire una delocalizzazione di elettroni. La posizione e la composizione degli atomi o dei gruppi di atomi influenzano la colorazione del cromoforo e caratterizzano ciascuna classe di coloranti. Esempi di classi di coloranti comprendono Dyes are organic molecules characterized by the presence of a group, called chromophore, which gives the dye its characteristic properties. of light absorption. Chromophores are generally represented by aromatic rings and/or chains of carbon atoms linked by double bonds, conjugated to each other, in order to guarantee a delocalization of electrons. The position and composition of the atoms or groups of atoms influence the coloration of the chromophore and characterize each class of dyes. Examples of dye classes include

i) I carotenoidi che hanno una colorazione variabile tra il giallo e il rosso, quali il carotene, il retinolo, la vitamina A, la zeaxantina; i) Carotenoids which have a variable color between yellow and red, such as carotene, retinol, vitamin A, zeaxanthin;

ii) i chinoni, il cui colore va dal giallo al rosso-violetto, quali l?acido carminico, estratto dalle cocciniglie, che trova applicazione come colorante tessile; ii) quinones, whose color ranges from yellow to red-violet, such as carminic acid, extracted from cochineals, which is used as a textile dye;

iii) i coloranti tetrapirrolici, caratterizzati da variabili dal rosso al blu-verde e che comprendono, fra l'altro, la clorofilla, l'emoglobina, i pigmenti della catena respiratoria e la vitamina B12; iii) tetrapyrrole dyes, characterized by ranging from red to blue-green and which include, among other things, chlorophyll, hemoglobin, the pigments of the respiratory chain and vitamin B12;

iv) i coloranti piranici, dalla colorazione variabile; tra essi sono compresi gli antociani, blu-rosso violacei, responsabili del colore di molti fiori e frutti; i flavoni, variabili dall'arancio al giallo, che nelle piante assorbono selettivamente alcune lunghezze d'onda importanti per la fotosintesi, mentre riflettono la luce ultravioletta dannosa per le cellule. iv) pyran dyes, with variable colouring; these include anthocyanins, blue-red violet, responsible for the color of many flowers and fruits; flavones, varying from orange to yellow, which in plants selectively absorb certain wavelengths important for photosynthesis, while reflecting ultraviolet light that is harmful to cells.

Molti coloranti, quali fucsina, eosina, blu di metilene, blu di anilina, esplicano importanti attivit? biochimiche. Tra queste, risulta di particolare interesse l?impiego di tali molecole come agenti antimicrobici o per il rilevamento di batteri. Many dyes, such as fuchsin, eosin, methylene blue, aniline blue, perform important activities. biochemicals. Among these, the use of these molecules as antimicrobial agents or for the detection of bacteria is of particular interest.

Caratteristica importante di molti coloranti ? quella di coordinarsi facilmente a metalli di transizione, mediante un tipo di legame, particolarmente stabile, denominato legame di coordinazione. L?instaurarsi di tale legame conferisce spesso propriet? ottiche nuove ed interessanti da un punto di vista tecnologico ai relativi complessi metallici, che pertanto possono essere utilmente adoperati anche nella diagnostica chimica, in luogo o in aggiunta ai coloranti da cui essi derivano. Important feature of many dyes? that of easily coordinating with transition metals, through a particularly stable type of bond, called coordination bond. The establishment of this bond often confers properties new and interesting optics from a technological point of view to the related metal complexes, which therefore can also be usefully used in chemical diagnostics, instead of or in addition to the dyes from which they derive.

Le nanoparticelle di metalli o di composti inorganici sono note oramai da molti anni. Una nanoparticella ? una particella di dimensioni comprese nel range 1-100 nm. Essa presenta peculiari propriet?, non riscontrabili nel corrispondente materiale bulk, n? in particelle aventi la stessa composizione ma caratterizzate da dimensioni maggiori. Nanoparticles of metals or inorganic compounds have been known for many years. A nanoparticle? a particle with dimensions in the range 1-100 nm. It presents peculiar properties, not found in the corresponding bulk material, nor? into particles having the same composition but characterized by larger dimensions.

La struttura superficiale atipica, il rapporto molto elevato tra area superficiale e volume e la conseguente maggiore reattivit?, rendono tali particelle utili in molte applicazioni commerciali. In particolare, le nanoparticelle caratterizzate da un diametro inferiore a ~ 30 nm sono caratterizzate da un?elevata energia superficiale e sono termodinamicamente instabili. In tali casi sono stati infatti osservati cambiamenti cristallografici come l?espansione o la contrazione del reticolo, un cambiamento nella morfologia, la comparsa di difetti o il riarrangiamento degli atomi sulla superficie nel tentativo di ridurre l?energia superficiale delle particelle instabili. The atypical surface structure, the very high surface area to volume ratio and the consequent greater reactivity make these particles useful in many commercial applications. In particular, nanoparticles characterized by a diameter smaller than ~30 nm are characterized by high surface energy and are thermodynamically unstable. In such cases, crystallographic changes have in fact been observed such as the expansion or contraction of the lattice, a change in morphology, the appearance of defects or the rearrangement of the atoms on the surface in an attempt to reduce the surface energy of the unstable particles.

Anche alcune propriet? fisiche delle nanoparticelle, come le loro propriet? elettriche, la temperatura di Curie, o la temperatura di fusione, possono dipendere dalle loro dimensioni e forma. Even some properties? physics of nanoparticles, such as their properties? electrical, the Curie temperature, or the melting temperature, can depend on their size and shape.

Di particolare interesse ? la capacit? delle nanoparticelle di agire come sonde fluorescenti per la biologia ed il fatto che nanoparticelle di oro, argento e rame mostrano una risonanza plasmonica di superficie nella regione visibile dello spettro elettromagnetico, che d? origine a materiali intensamente colorati e che alterano il loro colore con la direzione di osservazione. Questo ? un fenomeno noto fin dall?antichita?, quando i romani producevano oggetti in vetro come la tazza di Licurgo, che conteneva nanoparticelle di Ag/Au, e che rendevano l?oggetto rosso o verde a seconda che questo fosse osservato in luce trasmessa o riflessa. Of particular interest? the capacity? of nanoparticles to act as fluorescent probes for biology and the fact that gold, silver and copper nanoparticles exhibit surface plasmon resonance in the visible region of the electromagnetic spectrum, which gives? originates intensely colored materials that alter their color with the direction of observation. This ? a phenomenon known since ancient times, when the Romans produced glass objects such as the Lycurgus cup, which contained Ag/Au nanoparticles, and which made the object red or green depending on whether it was observed in transmitted or reflected light .

La risonanza plasmonica di superficie (SPR) ? un fenomeno alla base di molti strumenti per la misurazione dell?adsorbimento di materiale su superfici metalliche planari (in genere oro e argento) o su superfici di nanoparticelle di metallo, ed ? il principio di funzionamento di molti biosensori basati sul colore. Surface plasmon resonance (SPR) is a phenomenon at the basis of many instruments for measuring the adsorption of material on planar metal surfaces (generally gold and silver) or on surfaces of metal nanoparticles, and it is the operating principle of many color-based biosensors.

La SPR delle nanoparticelle dipende fortemente dalle loro dimensioni e forma. Pertanto, ad esempio, il colore di un colloide d?oro pu? dare un?idea precisa della dimensione delle nanoparticelle che contiene. The SPR of nanoparticles strongly depends on their size and shape. Therefore, for example, the color of a gold colloid can give a precise idea of the size of the nanoparticles it contains.

La SPR di una nanoparticella ? anche molto sensibile alla natura delle molecole eventualmente coordinate al metallo. Pertanto, cromofori covalentemente legati alla superficie delle nanoparticelle possono agire come semplici sensori chimici. The SPR of a nanoparticle? also very sensitive to the nature of the molecules possibly coordinated with the metal. Therefore, chromophores covalently bound to the surface of nanoparticles can act as simple chemical sensors.

Sintesi di nanoparticelle di metalli nobili Synthesis of noble metal nanoparticles

Le vie di sintesi per ottenere nanoparticelle di oro e argento sono molteplici, e la letteratura scientifica a riguardo ? molto ricca. Tra le molteplici strategie sintetiche possono essere individuate due categorie generali: approcci top-down o bottom-up. There are many synthesis routes to obtain gold and silver nanoparticles, and the scientific literature on the subject? very rich. Among the many synthetic strategies, two general categories can be identified: top-down or bottom-up approaches.

I metodi top-down includono litografia e fotolitografia a fascio di elettroni. Tali metodi risentono dell?obbligo di rimuovere grandi quantit? di materiale che viene quindi sprecato. Inoltre, impongono limiti rigidi sulla dimensione delle nanostrutture che possono essere generate, poich? la fotolitografia ? vincolata dal limite di diffrazione dei laser disponibili. La tecnologia attuale consente di generare funzionalita? nell?intervallo 20-100 nm, ma ? comunque in costante miglioramento. Le tecniche bottom-up hanno suscitato maggiore interesse poich? sono pi? versatili e richiedono apparecchiature meno specialistiche. L?approccio generale consiste nell?utilizzare un agente riducente per ridurre gli ioni metallici in soluzione, determinando dunque l?organizzazione degli atomi in nanostrutture. Le tecniche in quest?area sono molte e varie, tra cui il ?templating?, riduzioni chimiche, elettro- fotochimiche e termiche. I metodi bottom-up consentono di fabbricare nanostrutture molto piccole (da 1 nm) ma necessitano di un agente di arresto per fermare la crescita delle particelle nel punto desiderato. I metodi bottom-up consentono un ottimo controllo della forma e delle dimensioni delle nanoparticelle prodotte, attraverso uno controllo stringente dei parametri di reazione come tempo, temperatura, natura dell?agente riducente e molecole di arresto. Sebbene la maggior parte delle nanoparticelle ottenute medianti tali tecniche siano sferiche, diverse condizioni e metodi di reazione hanno prodotto nanoparticelle in forma di fili, tubi, prismi, o tetraedri. Un aspetto negativo delle tecniche bottom-up ? l?estrema variabilita? delle nanoparticelle sintetizzate, a causa dell?estrema sensibilit? alle fluttuazioni di temperatura, pH, tempo ecc. Top-down methods include electron beam lithography and photolithography. These methods suffer from the obligation to remove large quantities. of material which is therefore wasted. Furthermore, they impose strict limits on the size of the nanostructures that can be generated, since photolithography? constrained by the diffraction limit of the available lasers. Does current technology allow you to generate functionality? in the range 20-100 nm, but? however constantly improving. Bottom-up techniques have attracted greater interest because are they more? versatile and require less specialized equipment. The general approach consists in using a reducing agent to reduce the metal ions in solution, thus determining the organization of the atoms into nanostructures. The techniques in this area are many and varied, including ?templating?, chemical, electro-photochemical and thermal reductions. Bottom-up methods allow very small nanostructures (from 1 nm) to be fabricated but require a stopping agent to stop the growth of the particles at the desired location. Bottom-up methods allow excellent control of the shape and size of the nanoparticles produced, through stringent control of reaction parameters such as time, temperature, nature of the reducing agent and arresting molecules. Although most nanoparticles obtained by such techniques are spherical, various reaction conditions and methods have produced nanoparticles in the form of wires, tubes, prisms, or tetrahedra. A negative aspect of bottom-up techniques? the extreme variability? of the synthesized nanoparticles, due to the extreme sensitivity? to fluctuations in temperature, pH, time etc.

Interazione dei coloranti cationici e anionici con nanoparticelle in oro e argento Interaction of cationic and anionic dyes with gold and silver nanoparticles

Le nanoparticelle di metalli nobili non solo mostrano una serie di propriet? chimico-fisiche piuttosto uniche, ma hanno anche la capacit? di influenzare le propriet? delle molecole a cui possono essere coordinate. Ad esempio, l?aggiunta di un colorante a nanoparticelle di argento comporta una rilevante modifica dello spettro UV-VIS rispetto a quello del colorante puro. Noble metal nanoparticles not only exhibit a number of properties rather unique chemical-physical properties, but they also have the ability? to influence the properties? of the molecules to which they can be coordinated. For example, the addition of a silver nanoparticle dye involves a significant modification of the UV-VIS spectrum compared to that of the pure dye.

La letteratura scientifica ha ampiamente dimostrato che la coordinazione di coloranti con nanomateriali pu? creare potenti agenti antimicrobici che possono essere utilizzati per scopi medici, sia in terapia fotodinamica che come superfici antimicrobiche. Scientific literature has widely demonstrated that the coordination of dyes with nanomaterials can? create potent antimicrobial agents that can be used for medical purposes, both in photodynamic therapy and as antimicrobial surfaces.

Gli agenti antimicrobici attivati dalla luce, come il blu di toluidina O (TBO), sono efficaci su una vasta gamma di batteri tra cui Staphylococcus Aureus resistente alla meticillina (MRSA). Questi reagenti funzionano producendo radicali liberi e specie reattive dell?ossigeno quando attivati mediante luce bianca o laser. I radicali sono responsabili della distruzione dei batteri attraverso un meccanismo multi-obiettivo (a differenza degli antibiotici che, al contrario, sono molto specifici) e questo dovrebbe ridurre al minimo lo sviluppo della resistenza acquisita. Questi nuovi sistemi sono particolarmente utili per le infezioni topiche, come le ferite e nella cavit? orale, e per questo, negli ultimi anni, sono stati al centro di un intenso interesse scientifico. Light-activated antimicrobial agents, such as toluidine blue O (TBO), are effective on a wide range of bacteria including methicillin-resistant Staphylococcus Aureus (MRSA). These reagents work by producing free radicals and reactive oxygen species when activated by white light or laser. Radicals are responsible for the destruction of bacteria through a multi-objective mechanism (unlike antibiotics which, on the contrary, are very specific) and this should minimize the development of acquired resistance. These new systems are particularly useful for topical infections, such as wounds and in the cavity. oral, and for this reason, in recent years, they have been at the center of intense scientific interest.

Di grande interesse risultano essere le nanoparticelle d?oro solubili in acqua, funzionalizzate con tiolato. Uno dei metodi di sintesi, il metodo Brust, risulta particolarmente interessante dal momento che consente un controllo sulla dimensione delle particelle, la loro dispersione e l?efficacia della funzionalizzazione di superficie ed inoltre consente di ottenere nanoparticelle funzionalizzate con propriet? ottiche e catalitiche dipendenti dalla dimensione. Inoltre, tali nanoparticelle risultano essere stabili all?aria, e si conservano a lungo termine in solventi, miscibili con l?acqua, anche a temperature elevate e concentrazioni estreme. Of great interest are the water-soluble gold nanoparticles, functionalized with thiolate. One of the synthesis methods, the Brust method, is particularly interesting since it allows control over the size of the particles, their dispersion and the effectiveness of surface functionalization and also allows obtaining functionalized nanoparticles with properties size-dependent optical and catalytic. Furthermore, these nanoparticles are stable in air, and are preserved long-term in solvents, miscible with water, even at high temperatures and extreme concentrations.

Le nanoparticelle d?oro funzionalizzate hanno trovato molteplici applicazioni nel settore della biochimica, poich? ? possibile modificarle con metodi semplici per adattarle meglio ai sistemi biologici attraverso la modifica del loro strato superficiale per una maggiore solubilit? acquosa e biocompatibilit?. Functionalized gold nanoparticles have found multiple applications in the biochemistry sector, as they ? Is it possible to modify them with simple methods to better adapt them to biological systems by modifying their surface layer for greater solubility? aqueous and biocompatibility.

Tecniche spettroscopiche per l?identificazione dei coloranti e loro complessi Spectroscopic techniques for the identification of dyes and their complexes

La Spettroscopia Raman amplificata da superfici (Surface Enhanced Raman Scattering, SERS), ? una tecnica che consente di incrementare la sensibilit? della spettroscopia Raman di un fattore che pu? arrivare fino a 1014- 1015. Tale sensibilit? ? quindi sufficiente per consentire anche il rilevamento di singole molecole. La spettroscopia SERS ? quindi interessante per l'analisi di materiali in tracce, la citometria a flusso e altre applicazioni in cui sono necessarie velocit? di analisi ed elevata sensibilit?. Surface-amplified Raman spectroscopy (Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) is a technique that allows you to increase sensitivity? of Raman spectroscopy of a factor that can? reach up to 1014-1015. This sensitivity? ? therefore sufficient to also allow the detection of single molecules. SERS spectroscopy? therefore interesting for the analysis of trace materials, flow cytometry and other applications where speed is needed. analysis and high sensitivity.

Il fenomeno SERS ha luogo su una superficie metallica che presenta rugosit? su scala nanometrica ed ? quindi utile per il rilevamento e analisi delle molecole adsorbite su quella superficie. I metalli tipici utilizzati per creare le superfici attive al SERS sono l'oro o l'argento: la preparazione della superficie pu? avvenire mediante irruvidimento elettrochimico, rivestimento metallico di un substrato nanostrutturato o deposizione di nanoparticelle metalliche (spesso in forma colloidale). Does the SERS phenomenon take place on a metal surface that has roughness? on a nanometric scale and? therefore useful for the detection and analysis of molecules adsorbed on that surface. Typical metals used to create SERS-active surfaces are gold or silver: can surface preparation be done? occur via electrochemical roughening, metal coating of a nanostructured substrate, or deposition of metal nanoparticles (often in colloidal form).

I substrati SERS possono essere utilizzati per rilevare la presenza di biomolecole a bassa concentrazione: di particolare interesse ? lo sviluppo di tag SERS per l'individuazione del cancro, nonch? di anticorpi marcati SERS negli immunodosaggi SERS per la localizzazione delle proteine nel plasma/siero o nei tessuti del sangue. La capacit? di analizzare la composizione di una miscela su nanoscala rende l'utilizzo dei substrati SERS vantaggioso anche per analisi ambientale, per i prodotti farmaceutici, per la scienza dei materiali e quella forense e la rilevazione di singole cellule. L'applicazione di tecniche SERS alla diagnostica biochimica e alla futura implementazione in una pratica clinica ? quindi una tecnica piuttosto consolidata ma che al contempo riserva ampi margini di sviluppo [ in Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry (Third Edition), 2017] SERS substrates can be used to detect the presence of biomolecules at low concentrations: of particular interest? the development of SERS tags for cancer detection, as well as? of SERS-labeled antibodies in SERS immunoassays for protein localization in plasma/serum or blood tissues. The capacity? The ability to analyze the composition of a mixture at the nanoscale also makes the use of SERS substrates advantageous for environmental analysis, pharmaceuticals, materials science, forensics, and single cell detection. The application of SERS techniques to biochemical diagnostics and future implementation in clinical practice? therefore a rather consolidated technique but which at the same time reserves wide margins for development [in Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry (Third Edition), 2017]

Trattamento chirurgico delle infezioni correlate al biofilm Una volta instauratosi il processo settico, le possibilit? di trattamento sono molteplici. Nei casi d?infezione cronica il trattamento chirurgico prevede la rimozione dell?impianto associato ad accurato debridement. Per quanto concerne le infezioni peri-protesiche articolari il trattamento chirurgico pi? efficace ? rappresentato dall?impianto di uno spaziatore in cemento antibiotato che ha lo scopo di bonificare il sito infetto in previsione di un successivo intervento di (tecnica two-stage) [ Surgical treatment of biofilm-related infections Once the septic process has established, the possibilities? of treatment are multiple. In cases of chronic infection, surgical treatment involves the removal of the implant associated with careful debridement. As regards peri-prosthetic joint infections, the most suitable surgical treatment? effective? represented by the implantation of an antibiotic-containing cement spacer which has the purpose of reclaiming the infected site in anticipation of a subsequent intervention (two-stage technique) [

The Fate of Spacers in the Treatment of Periprosthetic Joint Infection.]. Nonostante il ruolo del debridement accurato di tutto il tessuto infetto e necrotico rivesta un ruolo chiave nel trattamento di un?infezione [Insall JN, Thompson FM, Brause BD. Two-stage reimplantation for the salvage of infected total knee arthroplasty. J Bone Joint Surg Am. 2002 Mar;84(3):490. The Fate of Spacers in the Treatment of Periprosthetic Joint Infection.]. Although the role of careful debridement of all infected and necrotic tissue plays a key role in the treatment of an infection [Insall JN, Thompson FM, Brause BD. Two-stage reimplantation for the salvage of infected total knee arthroplasty. J Bone Joint Surg Am. 2002 Mar;84(3):490.

Methylene Blue Guided Debridement as an Intraoperative Adjunct for the Surgical Treatment of Periprosthetic Joint Infection J Arthroplasty. 2017 Dec;32(12):3718-3723.], la valutazione dei margini di resezione tra tessuto sano e patologico risulta alquanto complessa e spesso affidata all?esperienza del chirurgo con l?aumentato rischio sia di rimozione inavvertita del tessuto sano che di mancata rimozione di tutto il tessuto patologico. Methylene Blue Guided Debridement as an Intraoperative Adjunct for the Surgical Treatment of Periprosthetic Joint Infection J Arthroplasty. 2017 Dec;32(12):3718-3723.], the evaluation of the resection margins between healthy and pathological tissue is quite complex and often entrusted to the surgeon's experience with the increased risk of both inadvertent removal of the healthy tissue and failure to remove all pathological tissue.

3-DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE 3-DESCRIPTION OF THE INVENTION

La finalit? del presente modello di utilit? ? quella di estendere l?impiego di coloranti, miscele e loro complessi nanometrici, gi? ampiamenti descritti nella letteratura scientifica e brevettuale, all?identificazione selettiva dei siti infetti nel corso del trattamento chirurgico di osteomieliti ed infezioni peri-protesiche in sede operatoria, con accurata identificazione del margine di resezione tra tessuto sano e patologico, cos? da poter guidare un selettivo ed accurato debridement. The purpose? of this utility model? ? that of extending the use of dyes, mixtures and their nanometric complexes, already? extensively described in the scientific and patent literature, to the selective identification of infected sites during the surgical treatment of osteomyelitis and peri-prosthetic infections during surgery, with accurate identification of the resection margin between healthy and pathological tissue, so to be able to guide a selective and accurate debridement.

Attualmente, nella pratica clinica, le tecniche di colorazione sono tipicamente impiegate per marcare batteri essiccati su vetrini, ma non in fluidi o in vivo. Lo stesso vale per la colorazione del biofilm batterico che generalmente avviene in setting laboratoristico a scopo puramente sperimentale e non clinico. Currently, in clinical practice, staining techniques are typically used to label dried bacteria on slides, but not in fluids or in vivo. The same applies to the staining of bacterial biofilm which generally occurs in laboratory settings for purely experimental and non-clinical purposes.

Mediante la presente invenzione, batteri gram-negativi e grampositivi cos? come i miceti possono essere marcati per un?analisi semplice e rapida. In questo modo la presenza di batteri pu? quindi essere rapidamente facilmente rilevata senza ricorrere a esami al microscopio. By means of the present invention, gram-negative and grampositive bacteria as well how fungi can be marked for simple and rapid analysis. In this way the presence of bacteria can therefore be quickly and easily detected without resorting to microscopic examinations.

La presente invenzione ? diretta allo sviluppo di un kit pronto all?uso nella rilevazione rapida di batteri e del biofilm batterico e fungino. Tale dispositivo consente al medico di determinare (qualitativamente) il tipo di infezione e (quantitativamente) la sua estensione e risponde all?attuale necessit? di disporre di uno screening rapido, obiettivo, di facile utilizzo This invention? aimed at the development of a ready-to-use kit for the rapid detection of bacteria and bacterial and fungal biofilm. This device allows the doctor to determine (qualitatively) the type of infection and (quantitatively) its extension and responds to the current need? to have a rapid, objective, easy-to-use screening

Il sistema in oggetto si basa sull?utilizzo di un sistema colorante sensibile ai microbi che subisce un cambiamento di colore rapido, ben visibile e misurabile in presenza degli stessi. In presenza di microbi il cambiamento deve essere visibilmente rilevabile all'occhio nudo, senza aiuto di ulteriori strumenti, o mediante spettrometria UV-VIS. The system in question is based on the use of a coloring system sensitive to microbes which undergoes a rapid, clearly visible and measurable color change in their presence. In the presence of microbes, the change must be visibly detectable to the naked eye, without the aid of additional instruments, or by UV-VIS spectrometry.

Tale sistema ? basato su una miscela da noi messa a punto di coloranti organici, coordinati e non a nanoparticelle metalliche, ad esempio ma non solo di Au, Ag, Cu, Pt, Pd. La scelta dello studio delle nanoparticelle metalliche deriva dalla loro elevata capacit? di interazione con la radiazione visibile che le rende particolarmente utili come sensori chimici e biologici addirittura in grado di rilevare una singola molecola target. Tali sostanze possono essere considerate chimicamente e biologicamente inerti e, opportunamente funzionalizzate per riconoscere recettori presenti solo nei tessuti patologici, possono accumularsi nei tessuti malati e svolgere un?azione diagnostica ed indirettamente terapeutica. This system? based on a mixture developed by us of organic dyes, coordinated and non-coordinated with metal nanoparticles, for example but not limited to Au, Ag, Cu, Pt, Pd. The choice of the study of metal nanoparticles derives from their high capacity? of interaction with visible radiation which makes them particularly useful as chemical and biological sensors even capable of detecting a single target molecule. These substances can be considered chemically and biologically inert and, appropriately functionalized to recognize receptors present only in pathological tissues, they can accumulate in diseased tissues and carry out a diagnostic and indirectly therapeutic action.

Tale sistema colorante pu? essere applicato ai tessuti e a superfici in genere per rivelare oltre alla presenza dei microbi, anche la loro concentrazione. Infatti, l?intensita? della colorazione, che pu? essere facilmente misurata attraverso misura colorimetrica con spettroscopia in riflettanza a fibre ottiche (FORS), ? proporzionale alla concentrazione degli stessi. This coloring system can be applied to fabrics and surfaces in general to reveal not only the presence of microbes but also their concentration. In fact, the intensity? of the coloring, what can? be easily measured through colorimetric measurement with fiber optic reflectance spectroscopy (FORS),? proportional to their concentration.

Il sistema colorante pu? essere sotto forma di liquido, solido o gel, e preferenzialmente di un liquido che pu? essere nebulizzato, spruzzato su tessuti o superfici per indicare la presenza di microbi. The coloring system can be in the form of a liquid, solid or gel, and preferentially of a liquid that can? be nebulized, sprayed on fabrics or surfaces to indicate the presence of microbes.

Un?ulteriore applicazione prevede che il liquido contenente il sistema colorante possa essere applicato alle superfici e lasciato essiccare, formando un film attivo che, in caso di successiva contaminazione da parte di microbi, ? in grado di rivelarla, cambiando colore. Tale metodo pu? essere utile per l?uso su superfici come, per esempio, imballaggi, adesivi, carta, tessuti, piani di lavoro, accessori medici come guanti chirurgici, camici chirurgici e tende, per rendere rapidamente e facilmente rilevabile una eventuale contaminazione. A further application provides that the liquid containing the coloring system can be applied to the surfaces and left to dry, forming an active film which, in the event of subsequent contamination by microbes, is able to reveal it, changing color. This method can be useful for use on surfaces such as, for example, packaging, stickers, paper, fabrics, worktops, medical accessories such as surgical gloves, surgical gowns and curtains, to make any contamination quickly and easily detectable.

Secondo la presente invenzione il cambiamento di colore deve verificarsi rapidamente: in alcune forme di realizzazione il sistema colorante pu? iniziare a cambiare colore in meno di 10 secondi, in altre in circa 30 minuti. In alcune forme di realizzazione, il colorante cambia colore ad una velocit? proporzionale alla concentrazione di microbi. In altre forme di realizzazione, la quantit? di batteri presenti ? proporzionale a una quantit? di colorante che subisce un cambiamento. According to the present invention the color change must occur rapidly: in some embodiments the coloring system can start changing color in less than 10 seconds, in others in about 30 minutes. In some embodiments, the dye changes color at a faster rate. proportional to the concentration of microbes. In other embodiments, the quantity of bacteria present? proportional to a quantity? of dye that undergoes a change.

3.1-DETTAGLI INVENZIONE 3.1-INVENTION DETAILS

Negli esempi di seguito descritti sono riportate le modalit? con cui due miscele coloranti sono state efficacemente utilizzate nel rilevameno dei batteri su tessuti e device infetti e non, prelevati in sede operatoria. In the examples described below are the methods shown? with which two coloring mixtures were effectively used in the detection of bacteria on infected and non-infected tissues and devices, taken during surgery.

Esempio 1 Example 1

? Preparazione della miscela di coloranti ? Preparation of the dye mixture

Viene preparata una soluzione da 60 ml di colorante miscelando: ? Da 0 a 15 ml di soluzione acquosa di blu di Metilene allo 0.0025% in peso; da 0 a 15 ml di soluzione acquosa di blu di Toluidina allo 0.0025% in peso; da 0 a 15 ml di soluzione acquosa di Fucsina allo 0.02% in peso; da 0 a 15 ml di soluzione acquosa di Eosina allo 0.01% in peso A 60 ml solution of dye is prepared by mixing: ? From 0 to 15 ml of aqueous solution of methylene blue at 0.0025% by weight; from 0 to 15 ml of Toluidine blue aqueous solution at 0.0025% by weight; from 0 to 15 ml of Fuchsin aqueous solution at 0.02% by weight; from 0 to 15 ml of Eosin aqueous solution at 0.01% by weight

Esempio 2 Example 2

? Preparazione di nanoparticelle funzionalizzate Nanoparticelle di argento o di oro sono state preparate secondo diverse metodologie in accordo con quanto riportato in letteratura. ? Preparation of functionalized nanoparticles Silver or gold nanoparticles were prepared according to different methodologies in accordance with what is reported in the literature.

Le nanoparticelle di argento sono preparabili secondo le seguenti procedure, e non solo: Silver nanoparticles can be prepared according to the following procedures, and more:

1) un campione di AgNO3 (circa 90 mg) ? stato sospeso in 500 mL di acqua distillata, e riscaldato a 100?C in flusso di azoto; alla sospensione sono stati aggiunti, goccia a goccia, sotto continua agitazione e in flusso di azoto, 10 mL di una soluzione acquosa all'1% di citrato di sodio. La soluzione ? stata mantenuta in ebollizione per 60-90 minuti. La sospensione giallo-brunastra cos? ottenuta, che mostra un massimo di assorbimento a circa 415 nm, ? costituita da particelle approssimabili a sfere con un diametro di medio di circa 20-40 nm. 1) a sample of AgNO3 (about 90 mg)? was suspended in 500 mL of distilled water, and heated to 100?C under nitrogen flow; 10 mL of a 1% aqueous solution of sodium citrate were added to the suspension, drop by drop, under continuous stirring and under a nitrogen flow. The solution ? was kept boiling for 60-90 minutes. Is the brownish-yellow suspension so? obtained, which shows an absorption maximum at approximately 415 nm, ? made up of particles approximating spheres with an average diameter of about 20-40 nm.

2) Una soluzione di 5x10-3 M di AgNO3, (100 mL) ? stata aggiunta lentamente e sotto vigorosa agitazione a 300 mL di una soluzione 2x10-3M di NaBH4 a circa 0?C. Durante la riduzione ? stata aggiunta una soluzione di PVA all'1% (50 mL). La miscela ? stata quindi bollita per ca. 1h per decomporre l'eventuale eccesso di NaBH4. La soluzione ottenuta ha mostrato un massimo di assorbimento a 400 nm ed ? costituita da particelle approssimabili a sfere con un diametro di medio di circa 20-40 nm. 2) A solution of 5x10-3 M AgNO3, (100 mL) ? was added slowly and under vigorous stirring to 300 mL of a 2x10-3M NaBH4 solution at approximately 0°C. During the reduction? 1% PVA solution (50 mL) was added. The mixture ? was then boiled for approx. 1h to decompose any excess NaBH4. The solution obtained showed an absorption maximum at 400 nm and ? made up of particles approximating spheres with an average diameter of about 20-40 nm.

3) Un campione di AgSO4 (80 mg) ? stato sciolto in 200 mL di acqua a 100?C e quindi miscelati con 5 g di PVA disciolti in ca. 200 mL di acqua a 80?C. La miscela ? stata quindi fatta gorgogliare con H2 a temperatura quasi di ebollizione per 3 ore. La soluzione ottenuta ha mostrato un massimo di assorbimento a 400 nm ed ? costituita da particelle approssimabili a sfere con un diametro di medio di circa 20-40 nm. 3) A sample of AgSO4 (80 mg) ? was dissolved in 200 mL of water at 100?C and then mixed with 5 g of PVA dissolved in approx. 200 mL of water at 80?C. The mixture ? was then bubbled with H2 at near boiling temperature for 3 hours. The solution obtained showed an absorption maximum at 400 nm and ? made up of particles approximating spheres with an average diameter of about 20-40 nm.

Le nanoparticelle di oro sono state preparate secondo le seguenti procedure: Gold nanoparticles were prepared according to the following procedures:

1) 250 mg di HAuC14 sono stati dissolti in 500 mL di acqua ultrapura e la soluzione ? stata portata all?ebollizione. Sotto agitazione e in flusso di azoto, ? stata quindi lentamente aggiunta una soluzione di citrato di sodio all'1% (50 mL). L'ebollizione ? stata continuata per ca. 1 ora. La soluzione ottenuta, di colore rosso, ha mostrato un massimo di assorbimento a 530 nm ed ? costituita da particelle approssimabili a sfere con un diametro di medio di circa 20-50 nm. 1) 250 mg of HAuC14 were dissolved in 500 mL of ultrapure water and the solution ? was brought to the boil. Under agitation and in nitrogen flow, ? 1% sodium citrate solution (50 mL) was then slowly added. The boil? continued for approx. 1 hour. The solution obtained, red in colour, showed an absorption maximum at 530 nm and ? made up of particles approximating spheres with an average diameter of about 20-50 nm.

2) Una soluzione di 5x10-3M di HAuCl4 (100 mL) ? stata aggiunta goccia a goccia e sotto forte agitazione a 300 mL di una soluzione 2x10-3M di NaBH4, mantenuta a 0?C. Durante la riduzione ? stata aggiunta una soluzione di PVA all'1% (50 mL). Dopo il completamento della reazione, la miscela ? stata fatta bollire per 1 ora per decomporre l'eccesso di NaBH4. La soluzione ottenuta, di colore viola, ha mostrato un massimo di assorbimento a 530 nm ed ? costituita da particelle approssimabili a sfere con un diametro di medio di circa 20-50 nm. 2) A solution of 5x10-3M HAuCl4 (100 mL) ? was added dropwise and under strong stirring to 300 mL of a 2x10-3M NaBH4 solution, kept at 0°C. During the reduction? 1% PVA solution (50 mL) was added. After completion of the reaction, the mixture is was boiled for 1 hour to decompose the excess NaBH4. The solution obtained, purple in colour, showed an absorption maximum at 530 nm and was made up of particles approximating spheres with an average diameter of approximately 20-50 nm.

La sintesi di nanoparticelle funzionalizzate ? stata effettuata secondo metodologie riportate in letteratura (si veda ad esempio J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 7081; Mater. Chem., 2007, 17, 3739; The synthesis of functionalized nanoparticles? was carried out according to methodologies reported in the literature (see for example J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 7081; Mater. Chem., 2007, 17, 3739;

Carbohydrate Polymers 2012, 89, 1159, Carbohydrate Polymers 2012, 89, 1159,

Vol. 14, No. 26, 1998). Vol. 14, No. 26, 1998).

La complessazione con i coloranti ? stata poi effettuata facendo adsorbire sulle nanoparticelle prodotte come prima descritto i coloranti utilizzati (blu di Metilene, blu di Toluidina, Fucsina, Eosina) ponendo ciascuna sospensione a contatto con una soluzione a diversa concentrazione (10-3 -10-7 M) del colorante scelto. La sospensione ? stata poi tenuta sotto vigorosa agitazione per 90 minuti a 25?C. Complexation with dyes? was then carried out by adsorbing the dyes used (Methylene blue, Toluidine blue, Fuchsin, Eosin) onto the nanoparticles produced as described above, placing each suspension in contact with a solution of different concentration (10-3 -10-7 M) of the dye choice. The suspension ? was then kept under vigorous stirring for 90 minutes at 25°C.

Esempio 3 Example 3

Pazienti target Target patients

Pazienti sottoposti ad intervento chirurgico per sospetta o accertata infezione biofilm correlata (infezioni mezzi di sintesi, protesi articolari, osteomieliti ed infezione croniche di cute e tessuti molli). Patients undergoing surgery for suspected or confirmed biofilm-related infection (infections of synthetic media, joint prostheses, osteomyelitis and chronic skin and soft tissue infections).

Fase di prelievo del tessuto: Tissue collection phase:

Luogo del prelievo Pickup location

Il prelievo ? stato effettuato secondo le norme dell?asepsi, in campo sterile, mediante l?utilizzo di materiale sterile e con un operatore assistito nell?apertura delle confezioni. The withdrawal? was carried out according to aseptic standards, in a sterile field, using sterile material and with an operator assisted in opening the packages.

Modalit? del prelievo Mode? of the withdrawal

Dopo aver preparato la cute con soluzione a base di clorexidina digluconato o Iodopovidone lasciati agire per almeno 2-3 minuti, si procede con l?accesso cutaneo al, con arto esangue grazie all?utilizzo fascia ischemica. Si pratica a questo punto l?accesso al sito infetto o sospetto tale, effettuando successivamente un ampio debridement, evitando anche in questo caso l?utilizzo del bisturi elettrico. Il prelievo dei tessuti deve comprendere, ove possibile anche un?ampia ed evidente porzione di grasso sottocutaneo. Il prelievo ottenuto, di circa cm 3 x 3, ? introdotto immediatamente in un contenitore sterile. Stesso discorso riguarda la gestione del device espiantato che viene inserito in un contenitore sterile per ridurre la possibilit? di contaminazione batterica. After preparing the skin with a solution based on chlorhexidine digluconate or povidone iodine, left to act for at least 2-3 minutes, we proceed with skin access to the limb, with the limb bloodless thanks to the use of ischemic bandage. At this point, access to the infected or suspected site is performed, subsequently carrying out extensive debridement, also avoiding the use of the electric scalpel in this case. The tissue sampling must also include, where possible, a large and evident portion of subcutaneous fat. The sample obtained, approximately 3 x 3 cm, is placed immediately in a sterile container. The same goes for the management of the explanted device which is inserted into a sterile container to reduce the possibility of damage. of bacterial contamination.

Gestione del campione tissutale. Tissue sample management.

Il campione viene trasportato nel minor tempo possibile (< 2 h) ad opportuno laboratorio di Analisi. Ove questo non fosse possibile, il prelievo andr? conservato ad una temperatura di 4?C per un tempo massimo di 12 ore. The sample is transported in the shortest possible time (< 2 h) to an appropriate analysis laboratory. If this is not possible, the withdrawal will go? stored at a temperature of 4°C for a maximum of 12 hours.

Gestione del device Device management

Il campione viene trasportato nel minor tempo possibile (< 2 h) ad opportuno laboratorio di Analisi. Ove questo non fosse possibile, il prelievo andr? conservato ad una temperatura di 4?C per un tempo massimo di 12 ore. The sample is transported in the shortest possible time (< 2 h) to an appropriate analysis laboratory. If this is not possible, the withdrawal will go? stored at a temperature of 4°C for a maximum of 12 hours.

Fase di analisi: Analysis phase:

Fasi dell?esperimento ? campione tissutale Phases of the experiment? tissue sample

Una volta giunto nel laboratorio di destinazione, i campioni tissutale vengono liberati dai coaguli ematici adesi mediante tre lavaggi con soluzione PBS (phosphate buffered saline, soluzione isotonica cellule e tamponata a pH 7.4 costituita da acqua e NaCl KCl Na2HPO4 KH2PO4) sterile. Once arrived in the destination laboratory, the tissue samples are freed from the attached blood clots by washing three times with sterile PBS (phosphate buffered saline, isotonic cell and buffered solution at pH 7.4 consisting of water and NaCl KCl Na2HPO4 KH2PO4) solution.

Successivamente il campione ? posto in un contenitore sterile al quale vengono aggiunti 60 ml di soluzione di colorante mediante utilizzo di filtro antibatterico. Il campione tissutale deve restare in immersione per la durata massima di 3 minuti e successivamente sottoposto a 3 cicli di lavaggio con PBS per eliminare il colorante in eccesso. Tutte le suddette fasi devono essere eseguite in condizioni di assoluta sterilit?. Subsequently the sample? placed in a sterile container to which 60 ml of dye solution is added using an antibacterial filter. The tissue sample must remain immersed for a maximum of 3 minutes and subsequently subjected to 3 washing cycles with PBS to eliminate excess dye. All the aforementioned phases must be carried out in conditions of absolute sterility.

Prelievo delle porzioni colorate. Removal of colored portions.

Si selezionano tramite ispezione le zone che nel contesto del campione virano pi? marcatamente verso un colore viola scuro; da queste si effettuano sterilmente n?3 prelievi di circa 1 cm x 1 cm (tessuto probando). Vengono inoltre selezionate ulteriori 3 zone che risultano non colorate, da cui verranno effettuati ulteriori 3 prelievi di cm 1 x 1 (tessuto di controllo). Tutti i campioni ottenuti verranno sottoposti ad esami microbiologici. The areas that change the most in the context of the sample are selected through inspection. markedly towards a dark purple color; from these, 3 samples of approximately 1 cm x 1 cm (proband tissue) are sterilely taken. Furthermore, 3 further areas which are not colored are selected, from which 3 further 1 x 1 cm samples will be taken (control tissue). All samples obtained will be subjected to microbiological examinations.

Fasi dell?esperimento ? Device Phases of the experiment? Device

Una volta giunto nel laboratorio di destinazione, il device viene liberato dai coaguli ematici adesi mediante tre lavaggi con soluzione fisiologica (NaCl 0.9%) sterile e aggiunto alla soluzione colorante per un tempo massimo di 3 minuti. Il colorante in eccesso viene poi eliminato sottoponendo il campione a 3 cicli di lavaggio con soluzione fisiologica (NaCl 0.9%) sterile. Tutte le suddette fasi devono essere eseguite in condizioni di assoluta sterilit?. Il campione viene successivamente sottoposto ad esami microbiologici. Once it arrives in the destination laboratory, the device is freed from the attached blood clots by washing three times with sterile physiological solution (NaCl 0.9%) and added to the coloring solution for a maximum of 3 minutes. The excess dye is then eliminated by subjecting the sample to 3 washing cycles with sterile physiological solution (NaCl 0.9%). All the aforementioned phases must be carried out in conditions of absolute sterility. The sample is subsequently subjected to microbiological tests.

Esempio 4. Example 4.

I campioni tissutali coloranti e non colorati vengono omogeneizzati ed addizionati a 5 ml di terreno di arricchimento (Brain-Heart) per 1 minuto. Per la ricerca dei germi mediante la microbiologia tradizionale, circa 0,5 ml di omogenato in brodo vengono inoculati in flaconi da emocoltura per microrganismi aerobi e anaerobi e incubati per 14 giorni a 36 ? 1?C. Tali campioni vengono sububcoltivati in agar sangue, agar cioccolato e agar Schaedler quando il brodo diventa torbido o a fine incubazione. L?analisi microbiologica mediante metodi biochimici viene utilizzata per tutti i campioni. Viene eseguita la PCR real-time utilizzando primer specifici per specie progettati per valutare il carico biologico. Queste tecniche mirano al rilevamento di un genere o di una specie predeterminata sulla base del contesto clinico e epidemiologico. The stained and unstained tissue samples are homogenized and added to 5 ml of enrichment medium (Brain-Heart) for 1 minute. For germ detection using traditional microbiology, approximately 0.5 ml of broth homogenate is inoculated into blood culture bottles for aerobic and anaerobic microorganisms and incubated for 14 days at 36? 1?C. These samples are subcultured to blood agar, chocolate agar and Schaedler agar when the broth becomes cloudy or at the end of incubation. Microbiological analysis using biochemical methods is used for all samples. Real-time PCR is performed using species-specific primers designed to assess bioburden. These techniques aim at the detection of a predetermined genus or species based on the clinical and epidemiological context.

Esempio 5. Example 5.

I contenitori contenenti il device vengono aperti sotto cappa e ricoperti per almeno il 90 % del suo volume con soluzione di Ringer o soluzione fisiologica sterile. Si procede a Vortexare il contenitore con la componente per 30 secondi. Successivamente il campione viene Sonicato a 30-40 KHz 0,22?0,04 W/cm2 per 5 minuti e successivamente vortexato per ulteriori 30 secondi. Gli esami colturali vengono effettuati inoculando 0,5 ml di liquido di sonicazione in flaconi da emocoltura per microrganismi aerobi e anaerobi e incubati per 14 giorni a 36 ? 1?C. Tali campioni vengono sububcoltivati in agar sangue, agar cioccolato e agar Schaedler quando il brodo diventa torbido o a fine incubazione. Viene inoltre eseguita la PCR real-time utilizzando primer specifici per specie progettati per valutare il carico biologico Queste tecniche mirano al rilevamento di un genere o di una specie predeterminata sulla base del contesto clinico e epidemiologico. The containers containing the device are opened under a hood and covered for at least 90% of its volume with Ringer's solution or sterile physiological solution. Proceed to vortex the container with the component for 30 seconds. Subsequently the sample is sonicated at 30-40 KHz 0.22?0.04 W/cm2 for 5 minutes and subsequently vortexed for a further 30 seconds. Culture tests are carried out by inoculating 0.5 ml of sonication liquid into blood culture bottles for aerobic and anaerobic microorganisms and incubated for 14 days at 36? 1?C. These samples are subcultured to blood agar, chocolate agar and Schaedler agar when the broth becomes cloudy or at the end of incubation. Real-time PCR is also performed using species-specific primers designed to assess bioburden. These techniques aim at the detection of a predetermined genus or species based on the clinical and epidemiological context.

Claims (6)

BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALEPATENT FOR INDUSTRIAL INVENTION TITOLO: IMPIEGO DI COLORANTI NELL?IDENTIFICAZIONE SELETTIVA DI SITI INFETTI NELLE INFEZIONI BIOFILM CORRELATE TITLE: USE OF DYES IN THE SELECTIVE IDENTIFICATION OF INFECTED SITES IN BIOFILM-RELATED INFECTIONS RIVENDICAZIONI 1 Formulazioni contenenti coloranti e miscele di coloranti, quali ad esempio e non solo, fucsina, eosina, blu di metilene, blu di toluidina O, sotto forma di spray, gel, emulsione, sospensione, pomata, per applicazioni cliniche quali: i) osteomieliti per guidare il trattamento chirurgico; ii) infezioni biofilm correlate di protesi articolari e dei mezzi di sintesi: a scopo diagnostico e terapeutico; iii) gestione delle ulcere cutanee infette: a scopo terapeutico e/o guida per il debridment; iv) gestione delle ferite contaminate e/o infette: a scopo diagnostico e terapeutico.1 Formulations containing dyes and mixtures of dyes, such as but not limited to, fuchsin, eosin, methylene blue, toluidine blue O, in the form of spray, gel, emulsion, suspension, ointment, for clinical applications such as: i) osteomyelitis to guide surgical treatment; ii) biofilm-related infections of joint prostheses and fixation devices: for diagnostic and therapeutic purposes; iii) management of infected skin ulcers: for therapeutic purposes and/or guidance for debridement; iv) management of contaminated and/or infected wounds: for diagnostic and therapeutic purposes. 2 Formulazioni contenenti complessi metallici di Ag, Cu, Au, Pd, Pt contenenti coloranti quali ad esempio e non solo, fucsina, eosina, blu di metilene, blu di toluidina O e nanoparticelle metalliche funzionalizzate con tali coloranti, sotto forma di spray, gel, emulsione, sospensione, pomata, per applicazioni cliniche quali: i) osteomieliti per guidare il trattamento chirurgico; ii) infezioni biofilm correlate di protesi articolari e dei mezzi di sintesi: a scopo diagnostico e terapeutico; iii) gestione delle ulcere cutanee infette: a scopo terapeutico e/o guida per il debridment; iv) gestione delle ferite contaminate e/o infette: a scopo diagnostico e terapeutico. 2 Formulations containing metal complexes of Ag, Cu, Au, Pd, Pt containing dyes such as, but not limited to, fuchsin, eosin, methylene blue, toluidine blue O and metal nanoparticles functionalized with these dyes, in the form of sprays, gels , emulsion, suspension, ointment, for clinical applications such as: i) osteomyelitis to guide surgical treatment; ii) biofilm-related infections of joint prostheses and fixation devices: for diagnostic and therapeutic purposes; iii) management of infected skin ulcers: for therapeutic purposes and/or guidance for debridement; iv) management of contaminated and/or infected wounds: for diagnostic and therapeutic purposes. 3 Formulazioni contenenti coloranti e miscele di coloranti, 3 Formulations containing colorants and colorant mixtures, quali ad esempio e non solo, fucsina, eosina, blu di metilene, such as, for example and not only, fuchsin, eosin, methylene blue, blu di toluidina O, sotto forma di spray, gel, emulsione, toluidine blue O, in the form of spray, gel, emulsion, sospensione, soluzione, per applicazioni quali la pulizia di suspension, solution, for applications such as cleaning of superfici e/o apparecchiature e/o oggetti in generale per surfaces and/or equipment and/or objects in general for verificarne l?effettiva sanificazione.verify its effective sanitization. 4 Formulazioni contenenti complessi metallici di Ag, Cu, Au, Pd, Pt contenenti coloranti quali ad esempio e non solo, fucsina, eosina, blu di metilene, blu di toluidina O e nanoparticelle metalliche funzionalizzate con tali coloranti, sotto forma di spray, gel, emulsione, sospensione, soluzione, per applicazioni quali la pulizia di superfici e/o apparecchiature e/o oggetti in generale per verificarne l?effettiva sanificazione.4 Formulations containing metal complexes of Ag, Cu, Au, Pd, Pt containing dyes such as, but not limited to, fuchsin, eosin, methylene blue, toluidine blue O and metal nanoparticles functionalized with these dyes, in the form of sprays, gels , emulsion, suspension, solution, for applications such as cleaning surfaces and/or equipment and/or objects in general to verify their effective sanitization. 5 Realizzazione ed utilizzo di un dispositivo erogatore delle formulazioni di cui alle rivendicazioni 1, 2, 3, 4 in grado di rilevare in maniera semplice ed evidente la presenza e il tipo di batterio e la concentrazione mediante un cambiamento di colore visibile all'occhio, senza ulteriori strumenti.5 Creation and use of a device dispensing the formulations referred to in claims 1, 2, 3, 4 capable of detecting in a simple and evident way the presence and type of bacteria and the concentration through a change in color visible to the eye, without additional tools. 6 Realizzazione ed utilizzo di un kit comprendente il dispositivo erogatore di cui alla rivendicazione 5 ed uno spettrofotometro UV-VIS portatile, in grado di rilevare in maniera semplice ed evidente il tipo di batterio e la concentrazione. 6 Creation and use of a kit including the dispensing device referred to in claim 5 and a portable UV-VIS spectrophotometer, capable of detecting the type of bacteria and the concentration in a simple and evident way.
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