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Antibiotika-haltige Knochenzemente : In vitro Untersuchungen der Freisetzungskinetiken und antimikrobiellen Wirkung

Schiefer, Urs Rüdiger


Originalveröffentlichung: (2004) Wettenberg : VVB Laufersweiler 2004

Neue Fassung der Dissertation


Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-16383
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2004/1638/

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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Medizinisches Zentrum für Chirurgie, Anästhesiologie und Urologie, Klinik und Poliklinik für Unfallchirurgie
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Zeitschrift, Serie: Edition scientifique
ISBN / ISSN: 3-89687-690-2
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.01.2004
Erstellungsjahr: 2004
Publikationsdatum: 30.07.2004
Kurzfassung auf Deutsch: Biomaterialien sind in der Medizin unersetzlich. Eine gefürchtete Komplikation während und nach ihrer Implantation ist die Biomaterial-assoziierte Infektion. Musterbeispiel sind Infektionen von Arthroplastiken. Zahlreiche Studien belegen den hohen Stellenwert Antibiotika-haltiger Knochenzemente in der Prophylaxe. Erst durch den Einsatz Antibiotika-haltiger Knochenzemente konnte die Infektionsrate auf 1 bis 2% der Operationen gesenkt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Knochenzemente (VersaBond und Palacos R) mit unterschiedlichen Antibiotika (Gentamicin und Clindamycin) in unterschiedlichen Konzentrationen (VersaBond AB [1g Gentamicin], VersaBond mit 2g Gentamicin, VersaBond mit 1g Clindamycin, VersaBond mit 2g Clindamycin und Refobacin Palacos R [0,5g Gentamicin])in vitro hinsichtlich ihrer Freisetzungskinetiken und ihrer antimikrobiellen Wirkung mit unterschiedlichen Methoden (kontinuierliche Elution, statische Elution, Diffusionsversuche, Infektionsversuche, Fluoreszenzmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie) untersucht.
Die Ergebnisse der kontinuierlichen und statischen Elutionen zeigten initial hohe Freisetzungsraten der Antibiotika. Im untersuchten Zeitraum von 24 Stunden wurde die minimale Hemmkonzentration der untersuchten Bakterien in keinem Fall unterschritten. Bei statischer Elution konnte gezeigt werden, daß in den ersten 24 Stunden nur ein Teil des in den Testzylindern inkorporierten Antibiotikums eluiert wird (etwa 3% des Gentamicins aus Refobacin Palacos R, etwa 2% des Gentamicins aus VersaBond [mit 1g bzw. 2g Gentamicin] und etwa 8% des Clindamycins aus VersaBond).
Diffusionsversuche zeigten, daß das bakterielle Wachstum noch nach 20 Tagen in unmittelbarer Umgebung der Testzylinder gehemmt wurde.
In den Infektionsversuchen mit Staphylococcus epidermidis konnte gezeigt werden, daß durch alle untersuchten Antibiotika-haltigen Knochenzemente bakterielles Wachstum in den ersten 24 Stunden vollständig sowohl im Eluat als auch auf den Testzylindern verhindert wurde.
In einem weiteren Versuchsansatz wurde die Entwicklung eines Biofilms durch Staphylococcus epidermidis auf Antibiotika-haltigen und unbeladenen PMMA-Testzylindern untersucht. Auf unbeladenem Knochenzement bildete sich bereits nach nur einmaliger Inokulation von Bakterien ein Biofilm. Auf den Gentamicin-haltigen Knochenzementen bildete sich erst nach mehrmaligem Beimpfen (zwei- bis dreimal im Abstand von jeweils 12 Stunden) ein Biofilm. Auf den Clindamycin-haltigen Testzylindern bildete sich trotz wiederholtem Beimpfen bis 14 Tage nach Versuchsbeginn kein Biofilm.
Der Biofilm wurde qualitativ mit einem live/dead-Farbstoff mittels Fluoreszenzmikroskopie dargestellt. Auf den unbeladenen Testzylindern zeigten sich zahlreiche grün gefärbte (lebende) Bakterien, auf den Gentamicin-haltigen Testzylindern dagegen wenige grün (lebende) und vermehrt rot gefärbte (tote) Bakterien. Auf dem Clindamycin-haltigen Testzylinder fanden sich nur wenige rot gefärbte (tote), jedoch keine grün gefärbten (vitalen) Bakterien, das heißt, daß nur wenige Bakterien anhafteten und diese tot waren.
Eine qualitativ orientierende rasterelektronenmikroskopische Untersuchung der Testzylinder, die in 12stündigen Intervallen im Grasso-Modell wiederholt beimpft und über insgesamt 72 Stunden inkubiert worden waren, zeigte bakterielles Wachstum auf den Testzylindern aus VersaBond (unbeladen), VersaBond AB und VersaBond mit 1g Clindamycin. Auf dem Testzylinder aus VersaBond mit 1g Clindamycin waren nur wenige Bakterien zu finden. Als Zeichen für lebende Bakterien wurden Teilungsfiguren angesehen.
Entscheidend für die Manifestation einer Infektion sind die ersten Stunden nach der Operation, in denen körpereigene Zellen bei der Gewebeintegration des eingebrachten Biomaterials mit eventuell eingedrungenen Bakterien in einem „race for the surface“ konkurrieren. Es gilt, eine Besiedelung des Biomaterials mit Bakterien und eventuell nachfolgend die Bildung eines Biofilms, der eine chronische Infektion zur Folge haben kann, unbedingt zu vermeiden. Antibiotika-haltiger Knochenzement könnte während dieser kritischen Phase durch Reduktion der Keimlast die körpereigene Abwehr wesentlich unterstützen.
Eine mögliche Resistenzentwicklung und die Ausbildung von Kleinzellvarianten von Staphylokokken, die eventuell ebenfalls für chronische Infektionen verantwortlich sind, sind als Risiken zu beachten. Die Wirkung des protrahiert über Tage und Wochen aus dem Knochenzement eluierten Antibiotikums ist unklar.
Bei kritischer Würdigung früherer Studien und experimenteller Untersuchungen und der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit ist der Einsatz etablierter und/oder neu entwickelter Antibiotika-haltiger Knochenzemente in der Gelenkersatzchirurgie sinnvoll und indiziert.
In Anbetracht der steigenden Resistenzentwicklung insbesondere der Hospitalismuskeime auch im traumatologischen und orthopädischen Fachgebiet erscheinen darüber hinaus die Entwicklung und Untersuchung von Knochenzementen, denen neuere Antibiotika, z. B. Linezolid und Quinupristin/Dalfopristin, zugemischt werden, notwendig.
Kurzfassung auf Englisch: In many disciplines of medicine, biomaterials are indispensable. A feared complication during and after implantation is the biomaterial-associated infection. Paradigms are infections of orthopedic devices. Numerous studies prove that antibiotic-loaded bone cements occupy a particular rank in prophylaxis. By using antibiotic-loaded bone cement, the infection rates could be reduced to 1-2% of arthroplasty. Bone cements loaded with new and efficacious antimicrobial agents should be developed in order to meet the increasing rates of bacterial resistance, especially of nosocomial pathogens. In this context, the present studies have been initiated.
Test cylinders of different bone cements, i.e., VersaBond and Palacos R, containing different antibiotics, i.e., gentamicin and clindamycin, in different concentrations, i.e., VersaBond AB (1g of gentamicin), VersaBond with 2g of gentamicin, VersaBond with 1g of clindamycin, VersaBond with 2g of clindamycin, and Refobacin Palacos R (0,5g of gentamicin) have been prepared and tested. They were investigated in vitro with regard to the kinetics of antibiotic release and antimicrobial effect by applying different methods, i.e., continuous and static elution, diffusion, artificial infection, fluorescence and scanning electron microscopy. Different strains of Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis were examined.
Both continuous and static elution experiments revealed initially high rates of antibiotic release, which, within the first 24 hours, always exceeded the minimal inhibitory concentrations of the bacteria. Experiments using static elution showed that, within the first 24 hours, only a proportion of the incorporated antibiotic, i.e., 3% of gentamicin from Refobacin Palacos R, 2% of gentamicin from VersaBond, and 8% of clindamycin from VersaBond, had been released.
Diffusion experiments showed that, even after 20 days, bacterial growth was still inhibited in the immediate vicinity of the test cylinders.
In a series of infection experiments using Staphylococcus epidermidis, all bone cements containing antibiotics proved to inhibit bacterial growth both in the culture medium and on the test cylinders during the first 24 hours.
In infection experiments using Staphylococcus epidermidis, the development of biofilms on the test cylinders was studied by applying a live/dead dye plus fluorescence microscopy, and scanning electron microscopy. On unloaded bone cements, a biofilm was detected after a single inoculation of bacteria whereas, on gentamicin-loaded bone cements, the development of a biofilm was delayed, and, on clindamycin-loaded bone cements, a biofilm could not be detected at all even after repeated infection during 2 weeks.
The first postoperative hours are assumed to be decisive for the manifestation of a bacterial infection on implanted medical devices. The term „race for the surface“ has been coined to describe the competition between leukocytes, fibroblasts, and bacteria which will colonize the biomaterial. Antibiotic-loaded bone cement could assist by reducing the infective dose in the vicinity of the device.
Potential side-effects of antibiotic-loaded bone cement, e.g., in particular development of bacterial resistance, must be considered.
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