Отправить статью по E-mail 
Экспериментальное обоснование комбинаций антимикробных препаратов для импрегнации костного цемента
- Авторы: Божкова С.А.1, Гаджимагомедов М.Ш.1, Гордина Е.М.1, Антипов А.П.1, Ваганов Г.В.2, Юдин В.Е.2
-
Учреждения:
- ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России
- Филиал ФГБУ «Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова национального исследовательского центра “Курчатовский институт” — Институт высокомолекулярных соединений»
- Выпуск: Том 31, № 1 (2025)
- Страницы: 76-84
- Раздел: Теоретические и экспериментальные исследования
- Дата подачи: 23.01.2025
- Дата принятия к публикации: 18.02.2025
- Дата публикации: 12.03.2025
- URL: https://journal.rniito.org/jour/article/view/17665
- DOI: https://doi.org/10.17816/2311-2905-17665
- ID: 17665
Цитировать
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Перипротезная инфекция (ППИ) остается одним из самых актуальных и тяжело поддающихся лечению осложнений эндопротезирования. Согласно данным литературы, риски возникновения ППИ суставов достигают 2% после первичного эндопротезирования, несмотря на совершенствование хирургической тактики и использование различных методов лечения [1, 2, 3].
Двухэтапное ревизионное эндопротезирование является операцией выбора в большинстве случаев лечения пациентов с хронической ППИ тазобедренного сустава [4]. Основным преимуществом данного метода является установка антимикробного спейсера, импрегнированного различными антибактериальными препаратами, для создания локального депо антибиотика на первом этапе лечения. Для изготовления антимикробного спейсера применяют костный цемент на основе полиметилметакрилата (ПММА), который смешивают с антимикробными препаратами, в том числе исходно импрегнированный гентамицином [5, 6, 7]. Наиболее распространенными возбудителями ППИ являются грамположительные бактерии, особенно Staphylococcus aureus и Staphylococcus epidermidis [8]. ППИ, вызванная грамотрицательными возбудителями, считается наболее трудной для лечения [9, 10]. Основной причиной этого является высокая резистентность патогенов к антимикробным препаратам [11]. Антимикробная активность официнального гентамицин-содержащего костного цемента (КЦ) без дополнительной импрегнации антибактериальными препаратами сохраняется только в течение первых суток, и фактически такой цемент неэффективен против грамотрицательных возбудителей [12, 13]. Наиболее часто используемым препаратом для добавления в КЦ при изготовлении антимикробных спейсеров является ванкомицин [14]. Однако данный антибиотик является препаратом узкого спектра действия, эффективным только против грамположительных возбудителей. Когда в этиологии ППИ участвуют грамотрицательные бактерии, а это около 10–17% случаев [4, 15], локальная терапия не эффективна. Необходимо учитывать, что в последние годы во всем мире отмечается рост числа штаммов грамотрицательных бактерий резистентных к большинству антибиотиков, что требует разработки новых подходов для преодоления этой устойчивости, в том числе в случае применения локальной антибактериальной терапии [16].
Проблема короткой активности спейсеров из костного цемента, несмотря на дополнительную импрегнацию антибиотиками, широко освещается в научной литературе. Известно, что элюция добавленного в спейсер антибиотика в инфекционный очаг в эффективных концентрациях продолжается не более 3 сут. после его имплантации [17]. Однако R. Gálvez-López с соавторами отмечают продленную до 30 сут. антимикробную активность костного цемента при его импрегнации комбинацией гентамицина с ванкомицином и моксифлоксацином [18]. В этом же исследовании установлено снижение уже с 4-х сут. элюции меропенема и эртапенема, которые характеризуются высокой антимикробной активностью в отношении грамотрицательных микроорганизмов.
Исследование R. Krassnig с соавторами показало, что добавление ионов серебра в костный цемент без дополнительной импрегнации антибиотиками демонстрирует антимикробную активность образцов в течение 9 нед. [19]. Также ранее в нашем исследовании in vitro было установлено, что добавление высокодисперсного серебра (ВД-Ag) в КЦ при формировании спейсера с ванкомицином приводит к существенной пролонгации (до 34 сут.) его антимикробной активности, что эффективно препятствует формированию микробных биопленок на его поверхности в течение всего срока выделения антибиотика [20]. Полученные результаты позволили предположить, что ВД-Ag в комбинации с препаратами, активными в отношении широкого спектра возбудителей, также позволит увеличить период активности образцов костного цемента, что и определило цель нашего исследования.
Цель исследования — определить длительность антимикробной активности и прочностные свойства образцов гентамицин-содержащего костного цемента, дополнительно импрегнированных комбинациями ВД-Ag с различными антибиотиками.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Изготовление образцов. Образцы были изготовлены из коммерческого костного цемента на основе ПММА DePuy CMW 3 Gentamicin (DePuy Synthes), содержащего 4,22% гентамицина. Образцы были получены путем смешивания 40 г сухого вещества с различными комбинациями антимикробных препаратов: ванкомицином (Красфарма, Россия), азтреонамом (Рузфарма, Россия), повиарголом (Технолог, Россия), меропенемом (Красфарма, Россия), фосфомицином (Красфарма, Россия). В эксперимент всего было включено 7 различных составов антимикробных компонентов (табл. 1). Полученную сухую смесь перемешивали с необходимым количеством метилметакрилата и формировали образцы.
Таблица 1. Состав образцов костного цемента
КЦ с гентамицином | Ванкомицин | Фосфомицин | Меропенем | Азтреонам | ВД-Ag | |
К | + | |||||
КЦ1 | + | 10 масс.% | 10 масс.% | |||
КЦ2 | + | 10 масс.% | 2,5 масс.% | 10 масс.% | ||
КЦ3 | + | 5 масс.% | 5 масс.% | 10 масс.% | ||
КЦ4 | + | 10 масс.% | 10 масс.% | |||
КЦ5 | + | 10 масс.% | 10 масс.% | |||
КЦ6 | + | 5 масс.% | 10 масс.% | 10 масс.% |
Масс.% — массовая доля в процентах.
Оценка антимикробной активности. Для определения длительности антимикробной активности (АМА) в отношении эталонных штаммов грамположительных и грамотрицательных бактерий готовили стандартные бусины диаметром 9 мм и весом 0,4 г. Оценку длительности АМА тестируемых образцов проводили аналогично нашему раннему исследованию [21].
Оценка прочности. В филиале ФГБУ «Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт” — Институт высокомолекулярных соединений» оценивали способность костного цемента противостоять нагрузкам и действию внешних сил, которую согласно ГОСТ ISO 5833-2011 определяли следующими характеристиками: прочностью при растяжении, изгибе и сжатии в мегапаскалях (МПа) [22].
Образцы для испытаний на растяжение, сжатие и изгиб готовили с помощью форм из металла, обработанных тонким слоем антиадгезионной смазки на основе кремнийорганических смол для препятствования прилипания полимеризованного материала к форме. Заготовки извлекали и нарезали в соответствии с методом испытания:
– для испытания на изгиб — образцы с размерами рабочей части 30 мм, шириной ~5 мм и толщиной ~3 мм;
– для испытания на растяжение — лопатки размерами рабочей части 25 мм, шириной ~4 мм и толщиной ~2 мм;
– для испытания на сжатие — образцы в форме цилиндров с высотой рабочей части ~10 мм, диаметром ~8,5 мм.
Исследование деформационно-прочностных свойств готовых образцов на растяжение, изгиб (с использованием зажимов для трехточечного изгиба) и сжатие (с использованием зажимов для сжатия) выполняли при комнатной температуре на разрывной машине 1958У-10-1 (Россия).
Статистический анализ
Регистрацию, систематизацию первичных данных и визуализацию полученных результатов выполняли в электронных таблицах Microsoft Office Excel. Статистический анализ проводили средствами программной системы Past 4. Проверка на нормальность распределения количественных показателей графическим методом показала, что результаты, полученные при определении прочности образцов, соответствовали нормальному распределению. Для описания признака использовали его среднее значение и 95% доверительный интервал (95% ДИ). Сопоставление количественных признаков между группами образцов выполняли с применением Т-критерия Стьюдента. Различия считали статистически значимыми при p<0,05.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Изучение АМА образцов костного цемента показало, что контрольные образцы из официнального гентамицин-содержащего костного цемента характеризовались наименьшей продолжительностью в отношении MSSA (7 дней) и отсутствием активности в отношении MRSA. Добавление в образцы по 10 масс.% фосфомицина и Вд-Ag (КЦ 1) увеличило продолжительность АМА в отношении MSSA, K. pneumoniae и P. aeruginosa в 3 раза. Действие на MRSA данной композиции было незначительным — только 2 сут. Последующее добавление к данной композиции 5 масс.% ванкомицина (КЦ 2) привело к сохранению АМА в отношении тестируемых грамотрицательных бактерий до 14–16 сут., а в отношении обоих штаммов стафилококков — до 4 нед.
Добавление в костный цемент с Вд-Ag меропенема с целью получить комбинацию, активную в большей степени в отношении грамотрицательных патогенов, не привело к продлению активности образцов, превышающей образец КЦ 2. Причем увеличение добавленной дозы меропенема в 2 раза с 5 масс.% (КЦ 3) до 10 масс.% (КЦ 4) также не привело к существенному продлению АМА в отношении стафилококков и P. aeruginosa. Только в отношении K. pneumoniae длительность активности увеличилась с 15 до 25 сут.
Образцы костного цемента с ВД-Ag и 10 масс.% азтреонама (КЦ 5 и КЦ 6) сохраняли свою активность в отношении K. pneumoniae более 280 сут., при этом их активность в отношении P. aeruginosa регистрировалась в течение 2 нед. Установлено, что добавление к комбинации 5 масс.% ванкомицина (КЦ 6) привело к продлению активности образцов в отношении стафилококков до 10 сут., в то время как образец КЦ 5 подавлял рост MSSA 7 сут. и не действовал на MRSA.
Таким образом, наиболее активными антибиотиками для импрегнации КЦ с ВД-Ag были комбинации: 1) ванкомицин (10 масс.%) с фосфомицином (2,5 масс.%) с активностью образцов КЦ в течение 4 нед. в отношении стафилококков и 2 нед. — грамотрицательных патогенов; 2) ванкомицин (5 масс.%) и азтреонам (10 масс.%) с активностью в отношении K. pneumoniae более 280 сут., P. aeruginosa — в течение 2 нед., стафилококков — 10 сут. Указанные образцы были включены в дальнейшее исследование прочности (рис. 1).
Рис. 1. Длительность антимикробной активности образцов костного цемента в отношении тестируемых эталонных штаммов бактерий
Figure 1. Duration of antimicrobial activity of bone cement samples against reference bacterial strains
Изучение деформационно-прочностных свойств показало, что предел прочности образцов снижался при дополнительной импрегнации КЦ антибактериальными препаратами вне зависимости от их природы и количества (рис. 2). Статистически значимых различий между образцами, включая контрольные образцы из официнального гентамицин-содержащего цемента, при испытании на сжатие и изгиб не получено (p>0,05). При испытании на растяжение отмечалось выраженное снижение прочностных свойств образцов КЦ 5 и КЦ 6, дополнительно импрегнированных комбинациями антимикробных средств, в сравнении с контрольными образцами, которое составило соответственно 45,8% (p<0,005) и 53,3% (p<0,005).
Рис. 2. Результаты изучения механических свойств образцов костного цемента
Figure 2. Mechanical properties of bone cement samples
ОБСУЖДЕНИЕ
Известно, что дополнительная импрегнация костного цемента различными антибактериальными препаратами не только определяет различную продолжительность его антимикробной активности, но и влияет на его прочностные свойства [22, 23]. Добавление двух и более антибактериальных препаратов при замешивании костного цемента не только расширяет спектр активности антимикробного спейсера, но и может привести к пролонгации высвобождения препаратов [24]. При выполнении санирующего этапа двухэтапного лечения ППИ чаще всего используют спейсер на основе гентамицин-содержащего цемента с добавлением ванкомицина [25]. Гентамицин, несмотря на широкий спектр активности, малоэффективен в отношении MRSA и грамотрицательных бактерий [26]. Эти факты подтвердились в нашем исследовании, когда контрольные образцы из гентамицин-содержащего костного цемента не обладали активностью в отношении MRSA и подавляли рост грамотрицательных бактерий не более 6 сут. Ванкомицин является препаратом узкого спектра действия, который эффективен только в отношении грамположительных возбудителей. Однако его добавление, по-видимому, увеличивает пористость костного цемента, за счет чего способствует большей элюции антибиотиков, в том числе и гентамицина, и, следовательно, более длительной активности образцов КЦ 1 в отношении тестируемых штаммов, что также было показано нами ранее [12]. Также J.R. Brooks с соавторами показали, что образцы костного цемента с добавлением ванкомицина и другого препарата из группы аминогликозидов — тобрамицина, препятствовали формированию биопленок P. aeruginosa в течение 5 сут. [27].
Проведенное исследование показало, что сочетание ВД-Ag с различными антимикробными препаратами способно изменять антимикробную активность образцов в отношении различных бактерий. Установлено, что наиболее эффективными для импрегнации КЦ были комбинации ВД-Ag c ванкомицином (10 масс.%) и фосфомицином (2,5 масс.%) (КЦ 2), а также с ванкомицином (5 масс.%) и азтреонамом (10 масс.%) (КЦ 6). Образцы КЦ 2 продемонстрировали большую активность в отношении стафилококков (4 нед.) и меньшую для грамотрицательных патогенов (2 нед.). Образцы КЦ 6 характеризовались выраженной длительной антимикробной активностью в отношении K. pneumoniae (>280 сут.), P. aeruginosa (2 нед.) и были чуть менее активны против стафилококков (10 сут.). Полученные нами результаты in vitro исследования эффективности применения азтреонама для импрегнации костного цемента согласуются с данными исследования P.H. Hsieh с соавторами, которые анализировали концентрацию азтреонама в суставной жидкости у 46 пациентов с ППИ после установки антимикробного спейсера. Авторы показали, что концентрация азтреонама превышала минимальную ингибирующую концентрацию в течение 100 сут. и более после установки антимикробного спейсера [28].
В исследовании in vitro V. Yuenyongviwat с соавторами выявили, что длительность антимикробной активности костного цемента с фосфомицином в отношении MRSA составляет не более 3 сут. [29]. В нашем более раннем исследовании in vitro была показана длительная антимикробная активность образцов КЦ, содержащих 20 масс.% фосфомицина в отношении MSSA и K. pneumoniae (соответственно 28 и 17 сут.) и только 5 сут. – в отношении MRSA [12]. Полученные в эксперименте данные подтвердились клинико-экономической эффективностью применения фосфомицина в сравнении с ванкомицином для импрегнации спейсеров при лечении полимикробной ППИ [30]. Установленная в ходе настоящего исследования длительная (до 28 сут.) антимикробная активность образцов КЦ 2 с фосфомицином в отношении MSSA и MRSA, по-видимому, обусловлена его комбинацией с ванкомицином и ВД-Ag, что повышает пористость самого материала и обеспечивает элюцию дополнительного количества антимикробных препаратов. Полученные результаты подтверждают эффективность выбранных комбинаций антимикробных препаратов, что позволяет рассматривать их как дополнительную лечебную опцию в комбинированном лечении пациентов с ППИ, особенно при полимикробной инфекции.
Согласно ГОСТ ISO 5833-2011 акрилцементы должны соответствовать ряду требований по остаточной деформации и полимеризации: прочности при изгибе (не менее 50 МПа), модулю упругости при изгибе (не менее 1800 МПа) и прочности при сжатии (не менее 70 МПа). Сравнивая данные, полученные в результате испытания контрольных образцов со значениями ГОСТ, можно сказать о том, что они соответствуют требованиям стандарта в отношении средних значений прочности при изгибе — 52,2 МПа (95% ДИ 47,7–56,7) и прочности при сжатии — 118,8 МПа (95% ДИ 108,7–128,9). Пределы прочности образцов с дополнительными антибактериальными препаратами в составе были несколько ниже значений стандарта по прочности при изгибе и составили для образцов КЦ 5 и КЦ 6 46,6 (95% ДИ 43,3–48,9) и 49 МПа (95% ДИ 46,8–51,2) соответственно, но значимых различий между анализируемыми показателями в сравнении с контрольными образцами получено не было. Наши результаты согласуются с данными экспериментального исследования А.В. Дигтяр с соавторами, которые показали, что содержание 20 масс.% антибиотика в костном цементе значимо не снижает предел прочности костного цемента ниже установленного ГОСТ и составляет 119,7 МПа (95% ДИ 112,1–127,3), однако при добавлении 25 масс.% антибиотика предел прочности снижается более чем в 2 раза и не соответствует установленным стандартам ГОСТ [31]. Также J.W. Kwong с соавторами показали, что, несмотря на длительную антимикробную активность, добавление 15 масс.% ванкомицина в костный цемент снижает его деформационно-прочностные свойства при тестировании на сжатие и изгиб [32].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Учитывая, что антимикробный спейсер является временной конструкцией и основными его функциями являются заполнение полости сустава и локальная антибактериальная терапия, результаты исследования позволяют считать перспективным использование гентамицин-содержащего костного цемента с добавлением ВД-Ag, ванкомицина, фосфомицина или азтреонама для формирования антимикробного спейсера. Длительная антимикробная активность без существенного ухудшения прочностных характеристик цемента позволяет эффективно применять исследованные комбинации при лечении перипротезных инфекций, вызванных как грамотрицательными микроорганизмами, так и микробными ассоциациями.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Заявленный вклад авторов
Божкова С.А. — концепция и дизайн исследования, интерпретация полученных данных, написание и редактирование текста рукописи.
Гаджимагомедов М.Ш. — сбор, анализ, статистическая обработка и интерпретация данных, написание текста рукописи.
Гордина Е.М. — проведение бактериологических исследований, статистическая обработка данных, написание и редактирование текста рукописи.
Антипов А.П. — проведение эксперимента, сбор и анализ данных, написание текста рукописи.
Ваганов Г.В. — проведение эксперимента, написание текста рукописи.
Юдин В.А. — проведение эксперимента, написание текста рукописи.
Все авторы прочли и одобрили финальную версию рукописи статьи. Все авторы согласны нести ответственность за все аспекты работы, чтобы обеспечить надлежащее рассмотрение и решение всех возможных вопросов, связанных с корректностью и надежностью любой части работы.
Источник финансирования. Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУ «НМИЦ ТО им. Р.Р. Вредена» Минздрава России (регистрационный номер 056-00030-24).
Возможный конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Этическая экспертиза. Не применима.
Информированное согласие на публикацию. Не требуется.
DISCLAIMERS
Author contribution
Bozhkova S.A. — study concept and design, data analysis and interpretation, drafting and editing the manuscript.
Gadzhimagomedov M.Sh. — data acquisition analysis and interpretation, statistical data processing, drafting the manuscript.
Gordina E.M. — conducting bacteriological studies, statistical data processing, drafting and editing the manuscript.
Antipov A.P. — conducting the experiment, data acquisition, analysis and interpretation, drafting the manuscript.
Vaganov G.V. — conducting the experiment, drafting the manuscript.
Yudin V.E. — conducting the experiment, drafting the manuscript.
All authors have read and approved the final version of the manuscript of the article. All authors agree to bear responsibility for all aspects of the study to ensure proper consideration and resolution of all possible issues related to the correctness and reliability of any part of the work.
Funding source. State budgetary funding.
Disclosure competing interests. The authors declare that they have no competing interests.
Ethics approval. Not applicable.
Consent for publication. Not required.
Дополнительные файлы
