Chitosan und Chitosan Oligosaccharide in Antibiotika-beladenen Knochenzement

Orthopädische Infektionen können mit Antibiotika-beladenen Knochenzementen behandelt werden. Allerdings sind durch die wachsende Anzahl an Resistenzen neue Formulierungen nötig um z.B. die Wirkstofffreisetzung zu verbessern. Aus dem Grund wurde in der präsentierten Studie dual-antibiotischer Knochenzement mit Chitosan und Chitosan Oligosaccharid hergestellt.

EINFLUSS VON CHITOSAN UND CHITOSAN OLIGOSACCHARIDEN AUF DUAL-ANTIBIOTIKABELADENEN KNOCHENZEMENT: IN VITRO AUSWERTUNG

Tantavisut S, Leanpolchareanchai J, Wongrakpanich A (2022) Influence of chitosan and chitosan oligosaccharide on dual antibiotic-loaded bone cement: In vitro evaluations. PLoS ONE 17(11): e0276604. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0276604

Knochenzement aus Materialien wie Polymethaacrylat (PMMA) spielt eine wichtige Rolle bei der Behandlung von orthopädischen Infektionen wie Gelenkprotheseninfektionen oder chronischer Osteomyelitis. Dort werden Knochenzemente mit Antibiotika beladen und in Form von Perlen oder als Spacer in den infizierten Bereich eingebracht. Um die Wirkung dieser zu verstärken, wird oft mehr als ein Antibiotikum verwendet um einen synergistischen Effekt zu erzielen. Zudem bewirkt die größere Menge an Antibiotika eine porösere Oberfläche, wodurch die Kontaktoberfläche zwischen Körperflüssigkeit und Knochenzement vergrößert wird und die Wirkung zusätzlich erhöht.

Durch die wachsende Zahl an Antibiotikaresistenzen werden allerdings Alternativen benötigt um die Wirksamkeit zu erhalten. Neben antimikrobiellen Substanzen z.B. Silbernanopartikel sind Pyrogene wie Glukose, Xylit oder Laktose von großem Interesse um die Wirkung durch Erhöhung der Porosität zu verbessern. Insbesondere Chitosan (CS) und seine Derivate, wie das Chitosan Oligosaccharid (CSO) weisen großes Potential auf. Sie sind biologisch abbaubar und biokompatibel. Durch ihren biologischen Abbau erhöhen sie die Porosität des Knochenzements. Zudem wirken sowohl CS als auch das CSO antibakteriell und antimykotisch. Bisher sind allerdings noch keine Studien zur pharmazeutischen und mechanischen Wirkung von Chitosanen in Knochenzement angefertigt wurden.

Aus den Grund wurde in dem vorgestellten Paper die Auswirkung von CS (DDA: 97,46 %, MW: ∼25 kDa) und CSO (DDA: 87,79 %, MW: ≤ 5 kDa) in vorgemischten dual-antibiotischen Knochenzement untersucht (Copal1 G+V). Verglichen wurden die Freisetzungsprofile der Antibiotika, die bakterielle Aktivität und die mechanischen Eigenschaften verschiedener Antibiotika-beladenen Knochenzemente (ALBC).

ERGEBNISSE

• Erfolgreiche Herstellung der Knochenzemente, keine signifikanten Unterschiede in Durchmesser, Dicke und Gewicht von Kontrolle (nur Knochenzement), CS und CSO-Knochenzement
• Im Vergleich von 10 % CS und 10 % CSO, wiesen die Knochenzemente mit CSO eine höhere Porosität auf, allerdings kam es zu keiner signifikanten Änderung des Gewichts nach eintauchen in PBS
• Erhöhte Freisetzung von Vancomycin nach 48 h bei 10 % CS und 10 % CSO im Vergleich zur Kontrolle
• kein signifikanter Unterschied zwischen den Gentamicin-Freisetzungsprofilen der Kontrollgruppe und der der CS-Gruppe (CS 1%, CS 5% und CS 10%), allerdings deutlich erhöhte Freisetzung für CSO zwischen 72 h und 7 Tagen im Vergleich zur Kontrollgruppe
• In allen Knochenzementproben kam es zu einer geringeren Freisetzung von Gentamicin im Vergleich zu Vancomycin
• Alle Knochenzementproben waren in der Lage das Wachstum von S. aureus und Methicillin-resistenten S. aureus zu hemmen
• Keinen Nachweis von Zytotoxizität an Saos-2-Zellen nach 24 h Inkubation
• Oberflächen Rauheit des Knochenzements nahm zu mit steigender Menge CS, keine Unterschiede zwischen der CSO und der Kontrollgruppe

Schlussfolgerungen: In der präsentierten Studie wurde gezeigt, dass die Zugabe von CS und CSO die Wirkstofffreisetzung von z.B. Antibiotika im Knochenzement verbessern kann. ChO 10% war die beste Knochenzementformulierung mit einer hoher Wirkstofffreisetzung, einer guten Biokomptabilität und akzeptablen mechanischen Eigenschaften, die eine gute Wirksamkeit gegen orthopädische Erreger wie S. aureus zeigte. Insgesamt sind jedoch weitere in vitro und in vivo-Experimente erforderlich, bevor es in der Klinik eingesetzt werden kann.

Link zum Artikel: Influence of chitosan and chitosan oligosaccharide on dual antibiotic-loaded bone cement: In vitro evaluations | PLOS ONE