Experimental Validation of Antimicrobial Drug Combinations for Bone Cement Impregnation

Svetlana A. Bozhkova; Божкова Светлана Анатольевна; Magomed Sh. Gadzhimagomedov; Гаджимагомедов Магомед Шамильевич; Ekaterina M. Gordina; Гордина Екатерина Михайловна; Alexander P. Antipov; Антипов Александр Павлович; Gleb V. Vaganov; Ваганов Глеб Вячеславович; Vladimir E. Yudin; Юдин Владимир Евгеньевич

doi:10.17816/2311-2905-17665

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:
1. ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России
2. 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
URL: https://journals.rcsi.science/2311-2905/article/view/287980
DOI: https://doi.org/10.17816/2311-2905-17665
ID: 287980

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Актульность. Имплантация антимикробного спейсера широко применяется в комплексном лечении перипротезной инфекции (ППИ). Чаще всего костный цемент дополнительно импрегнируют ванкомицином, который активен только в отношении грамположительных бактерий. Однако во всем мире отмечается рост резистентности грамотрицательных бактерий к большинству антибиотиков, что требует разработки новых подходов для преодоления этой устойчивости, в том числе в случае применения локальной антибактериальной терапии.

Цель исследования — определить длительность антимикробной активности и прочностные свойства образцов гентамицин-содержащего костного цемента, дополнительно импрегнированных комбинациями высокодисперсного серебра (ВД-Ag) с различными антибиотиками.

Материал и методы. Контрольные образцы были изготовлены из коммерческого костного цемента на основе полиметилметакрилата DePuy CMW 3 Gentamicin (DePuy Synthes), содержащего 4,22% гентамицина. Дополнительно были изготовлены и протестированы 6 опытных образцов с добавлением разных комбинаций антибактериальных препаратов. Антимикробную активность (АМА) оценивали в отношении S. aureus (MSSA, MRSA), K. pneumoniae и P. aeruginosa. Прочностные свойства наиболее эффективных образцов оценивали в сравнении с контрольными образцами. Статистический анализ проводили средствами программной системы Past 4.

Результаты. Контрольные образцы из официнального костного цемента продемонстрировали наименьшую продолжительность активности в отношении MSSA (7 дней) и не проявляли активность в отношении MRSA и грамотрицательных бактерий. Добавление 10 масс.% фосфомицина и ВД-Ag в костный цемент (КЦ 1) увеличило продолжительность АМА в отношении MSSA, K. pneumoniae и P. aeruginosa в три раза. Добавление к КЦ1 5 масс.% ванкомицина (КЦ 2) продлило АМА образцов в отношении грамотрицательных бактерий до 14–16 сут., стафилококков — до 4 нед. Наибольшей активностью в отношении грамотрицательных бактерий обладали образцы с ВД-Ag и 10 масс.% азтреонама (КЦ 5 и КЦ 6), прочностные характеристики которых значимо не отличались от контрольных образцов.

Заключение. Комбинации, содержащие ВД-Аg, ванкомицин, фосфомицин и азтреонам, показали длительную антимикробную активность. Это может улучшить результаты санирующего этапа двухэтапного лечения перипротезной инфекции тазобедренного сустава, что делает их перспективными для клинического применения.

Ключевые слова

перипротезная инфекция, антимикробный спейсер, высокодисперсное серебро, импрегнация костного цемента

Полный текст

Открыть статью на сайте журнала

Об авторах

Светлана Анатольевна Божкова

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава России

Email: clinpharm-rniito@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-2083-2424

д-р мед. наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург

Магомед Шамильевич Гаджимагомедов

Автор, ответственный за переписку.
Email: orthopedist8805@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-6113-0277
Россия, Санкт-Петербург

Екатерина Михайловна Гордина

Email: emgordina@win.rniito.ru
ORCID iD: 0000-0003-2326-7413

канд. мед. наук

Россия, Санкт-Петербург

Александр Павлович Антипов

Email: a.p.antipov@ya.ru
ORCID iD: 0000-0002-9004-5952
Россия, Санкт-Петербург

Глеб Вячеславович Ваганов

Филиал ФГБУ «Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова национального исследовательского центра “Курчатовский институт” — Институт высокомолекулярных соединений»

Email: glebvaganov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0210-7456

канд. техн. наук

Россия, Санкт-Петербург

Владимир Евгеньевич Юдин

Email: yudinve@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5517-4767

д-р физ.-мат. наук

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Kurtz S.M., Lau E.C., Son M.S., Chang E.T., Zimmerli W., Parvizi J. Are We Winning or Losing the Battle With Periprosthetic Joint Infection: Trends in Periprosthetic Joint Infection and Mortality Risk for the Medicare Population. J Arthroplasty. 2018;33(10):3238-3245. doi: 10.1016/j.arth.2018.05.042.
McMaster Arthroplasty Collaborative (MAC). Incidence and Predictors of Prosthetic Joint Infection Following Primary Total Knee Arthroplasty: A 15-Year Population-Based Cohort Study. J Arthroplasty. 2022;37(2):367-372.e1. doi: 10.1016/j.arth.2021.10.006.
Premkumar A., Kolin D.A., Farley K.X., Wilson J.M., McLawhorn A.S., Cross M.B. et al. Projected Economic Burden of Periprosthetic Joint Infection of the Hip and Knee in the United States. J Arthroplasty. 2021;36(5): 1484-1489.e3. doi: 10.1016/j.arth.2020.12.005.
Винклер Т., Трампуш А., Ренц Н., Перка К., Божкова С.А. Классификация и алгоритм диагностики и лечения перипротезной инфекции тазобедренного сустава. Травматология и ортопедия России. 2016; 22(1):33-45. doi: 10.21823/2311-2905-2016-0-1-33-45. Winkler T., Trampuz A., Renz N., Perka C., Bozhkova S.A. Сlassification and algorithm for diagnosis and treatment of hip periprosthetic infection. Traumatology and Orthopedics. 2016;22(1):33-35. (In Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2016-0-1-33-45.
Buchholz H.W., Engelbrecht H. Depot effects of various antibiotics mixed with Palacos resins. Chirurg. 1970;41(11):511-515.
Durbhakula S.M., Czajka J., Fuchs M.D., Uhl R.L. Spacer endoprosthesis for the treatment of infected total hip arthroplasty. J Arthroplasty. 2004;19(6):760-767. doi: 10.1016/j.arth.2004.02.037.
Joseph T.N., Chen A.L., Di Cesare P.E. Use of antibiotic-impregnated cement in total joint arthroplasty. J Am Acad Orthop Surg. 2003;11(1):38-47. doi: 10.5435/00124635-200301000-00006.
Tande A.J., Patel R. Prosthetic Joint Infection. Clin Microbiol Rev. 2014;27(2):302-345. doi: 10.1128/CMR.00111-13.
Rodríguez-Pardo D., Pigrau C., Lora-Tamayo J., Soriano A., del Toro M.D., Cobo J. et al. Gram-negative Prosthetic Joint Infection: Outcome of a Debridement, Antibiotics and Implant Retention Approach. A Large Multicentre Study. Clin Microbiol Infect. 2014;20(11):O911-O919. doi: 10.1111/1469-0691.12649.
Hsieh P.H., Lee M.S., Hsu K.Y., Chang Y.H., Shih H.N., Ueng S.W. Gram-negative Prosthetic Joint Infections: Risk Factors and Outcome of Treatment. Clin Infect Dis. 2009;49(7):1036-1043. doi: 10.1086/605593.
Zmistowski B., Fedorka C.J., Sheehan E., Deirmengian G., Austin M.S., Parvizi J. Prosthetic Joint Infection Caused by Gram-negative Organisms. J Arthroplast. 2011; 26(6 Suppl):104-108. doi: 10.1016/j.arth.2011.03.044.
Конев В.А., Божкова С.А., Нетылько Г.И., Афанасьев А.В, Румакин В.П., Полякова Е.М. и др. Результаты применения фосфомицина для импрегнации остеозамещающих материалов при лечении хронического остеомиелита. Травматология и ортопедия России. 2016;22(2):43-56. doi: 10.21823/2311-2905-2016-0-2-43-56. Konev V.A., Bozhkova S.A., Netylko G.I., Afanasiev A.V., Rumakin V.P., Polyakova E.M. et al. Results of the fosfomycin application for the impregnation of bone replacement materials in the treatment of chronic osteomyelitis. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2016:22(2);43-56. (In Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2016-0-2-43-56.
Al Thaher Y., Yang L., Jones S.A., Perni S., Prokopovich P. LbL-assembled gentamicin delivery system for PMMA bone cements to prolong antimicrobial activity. PLoS One. 2018;13(12):e0207753. doi: 10.1371/journal.pone.0207753.
Lunz A., Omlor G.W., Schmidt G., Moradi B., Lehner B., Streit M.R. Quality of life, infection control, and complication rates using a novel custom-made articulating hip spacer during two-stage revision for periprosthetic joint infection. Arch Orthop Trauma Surg. 2022;142(12):4041-4054. doi: 10.1007/s00402-021-04274-4.
Martínez-Pastor J.C., Muñoz-Mahamud E., Vilchez F., García-Ramiro S., Bori G., Sierra J. et al. Outcome of acute prosthetic joint infections due to gram-negative bacilli treated with open debridement and retention of the prosthesis. Antimicrob Agents Chemother. 2009;53(11):4772-4777. doi: 10.1128/AAC.00188-09.
Tarabichi S., Goh G.S., Zanna L., Qadiri Q.S., Baker C.M., Gehrke T. et al. Time to Positivity of Cultures Obtained for Periprosthetic Joint Infection. J Bone Joint Surg Am. 2023;105(2):107-112. doi: 10.2106/JBJS.22.00766.
Gasparini G., De Gori M., Calonego G., Della Bora T., Caroleo B., Galasso O. Drug elution from high-dose antibiotic-loaded acrylic cement: a comparative, in vitro study. Orthopedics. 2014;37(11):e999-1005. doi: 10.3928/01477447-20141023-57.
Gálvez-López R., Peña-Monje A., Antelo-Lorenzo R., Guardia-Olmedo J., Moliz J., Hernández-Quero J. et al. Elution kinetics, antimicrobial activity, and mechanical properties of 11 different antibiotic loaded acrylic bone cement. Diagn Microbiol Infect Dis. 2014;78(1):70-74. doi: 10.1016/j.diagmicrobio.2013.09.014.
Krassnig R., Hohenberger G., Schwarz A., Goessler W., Feierl G., Wildburger R. et al. In vitro testing of silver-containing spacer in periprosthetic infection management. Sci Rep. 2021;11(1):17261. doi: 10.1038/s41598-021-96811-9.
Божкова С.А., Гордина Е.М., Марков М.А., Афанасьев А.В., Артюх В.А., Малафеев К.В. и др. Влияние комбинации ванкомицина с препаратом серебра на длительность антимикробной активности костного цемента и формирование биопленки штаммом MRSA. Травматология и ортопедия России. 2021;27(2):54-64. doi: 10.21823/2311-2905-2021-27-2-54-64 2021. Bozhkova S.A., Gordina E.M., Markov M.A., Afanasyev A.V., Artyukh V.A., Malafeev K.V. et al. The Effect of Vancomycin and Silver Combination on the Duration of Antibacterial Activity of Bone Cement and Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus Biofilm Formation. Traumatology and Orthopedics of Russia. 2021;27(2):54-64. (In Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2021-27-2-54-64 2021.
Божкова С.А., Полякова Е.М., Афанасьев А.В., Лабутин Д.В., Ваганов Г.В., Юдин В.Е. Фосфомицин — возможности применения для локальной терапии перипротезной инфекции. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2016:18(2): 104-112. Bozhkova S.A., Polyakova E.M., Afanasiev A.V., Labutin D.V., Vaganov G.V., Yudin V.E. Potential for the Use of Fosfomycin in the Topical Treatment of Periprosthetic Joint Infection. Clinical Microbiology and Antimicrobial Chemotherapy. 2016:18(2):104-112.
Anagnostakos K., Meyer C. Antibiotic Elution from Hip and Knee Acrylic Bone Cement Spacers: A Systematic Review. Biomed Res Int. 2017;2017:4657874. doi: 10.1155/2017/4657874.
Bitsch R.G., Kretzer J.P., Vogt S., Büchner H., Thomsen M.N., Lehner B. Increased antibiotic release and equivalent biomechanics of a spacer cement without hard radio contrast agents. Diagn Microbiol Infect Dis. 2015;83(2):203-209. doi: 10.1016/j.diagmicrobio.2015.06.019.
Sanz-Ruiz P., Villanueva-Martinez M., Berberich C. Benefit and risks of antibiotic-loaded bone cements. In: Management of Periprosthetic Joint Infection. Ed. Kuhn D. Heidelberg: Springer-Verlag; 2018. P. 217-218.
Парвизи Д., Герке Т. Материалы второй международной согласительной конференции по скелетно-мышечной инфекции. СПб.: РНИИТО им. Р.Р. Вредена. 2019. С. 320. Parvizi J., Gehrke T. Proceedings of the second international consensus meeting on musculoskeletal infection. St. Petersburg : RNIITO im. R.R. Vredena. 2019. 314 р. (In Russian).
Rodriguez J., Perez Alamino L., Garabano G., Taleb J.P., Del Sel H., Pesciallo C. Two-Stage Treatment of Chronic Periprosthetic Knee Infections With the Use of Gentamicin-Articulated Spacers: Success Rate and Predictors of Failure at the Minimum Seven-Year Follow-Up. Arthroplast Today. 2023;23:101177. doi: 10.1016/j.artd.2023.101177.
Brooks J.R., Dusane D.H., Moore K., Gupta T., Delury C., Aiken S.S. et al. Pseudomonas aeruginosa biofilm killing beyond the spacer by antibiotic-loaded calcium sulfate beads: an in vitro study. J Bone Joint Infect. 2021;6(5): 119-129. doi: 10.5194/jbji-6-119-2021.
Hsieh P.H., Chang Y.H., Chen S.H., Ueng S.W., Shih C.H. High concentration and bioactivity of vancomycin and aztreonam eluted from Simplex cement spacers in two-stage revision of infected hip implants: a study of 46 patients at an average follow-up of 107 days. J Orthop Res. 2006;24(8):1615-1621. doi: 10.1002/jor.20214.
Yuenyongviwat V., Ingviya N., Pathaburee P., Tangtrakulwanich B. Inhibitory effects of vancomycin and fosfomycin on methicillin-resistant Staphylococcus aureus from antibiotic-impregnated articulating cement spacers. Bone Joint Res. 2017;6(3):132-136. doi: 10.1302/2046-3758.63.2000639.
Божкова С.А., Касимова А.Р., Борисов А.М., Артюх В.А., Ливенцов В.Н. Клинико-экономическая эффективность использования Фосфомицина и Ванкомицина для импрегнации спейсеров при хирургическом лечении пациентов с перипротезной инфекцией. Забайкальский медицинский вестник. 2017;(2):122-131. doi: 10.52485/19986173_2017_2_122. Bozhkova S.A., Kasimova A.R., Borisov A.M., Artyukh V.A., Liventsov V.N. Clinical and economic effectiveness of using Fosfomycin and Vancomycin for spacer impregnation in the surgical treatment of patients with periprosthetic infection. Transbaikalian Medical Bulletin. 2017;(2):122-131. (In Russian). doi: 10.52485/19986173_2017_2_122.
Дигтяр А.В., Карпинский М.Ю., Карпинская Е.Д. Экспериментальное исследование прочности костного цемента в зависимости от содержания антибиотика. Травма. 2019;20(1):79-83. doi: 10.22141/1608-1706.1.20.2019.158674. Dіgtiar A.V., Karpinsky M.Yu., Karpinska O.D. Experimental study of the strength of bone cement depending on the antibiotic content. Trauma. 2019;20(1):79-83. (In Ukrainian). doi: 10.22141/1608-1706.1.20.2019.158674.
Kwong J.W., Abramowicz M., Kühn K.D., Foelsch C., Hansen E.N. High and Low Dosage of Vancomycin in Polymethylmethacrylate Cements: Efficacy and Mechanical Properties. Antibiotics (Basel). 2024;13(9):818. doi: 10.3390/antibiotics13090818.