АНТИМИКРОБНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ПРОФИЛАКТИКИ ИМПЛАНТ-АССОЦИИРОВАННОЙ ИНФЕКЦИИ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
ANTIMICROBIAL AGENT FOR PREVENTING IMPLANT-ASSOCIATED INFECTION AND METHOD FOR USING IT

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для профилактики имплант-ассоциированной инфекции. Большинство реконструктивных операций в ортопедии и травматологии, включая эндопротезирование крупных суставов, предполагает использование имплантатов (компоненты эндопротеза, пластины, винты, интрамедуллярные стержни и другие металлоконструкции). Глубокая инфекция области хирургического вмешательства после операций такого типа представляет собой частный случай имплант-ассоциированной инфекции. Лечение данного осложнения включает комплекс лечебных мероприятий: ревизию и санацию гнойного очага, как правило, с удалением имеющегося имплантата на фоне длительной системной антибактериальной терапии. В большинстве случаев, особенно при инфекции протезированных суставов, пациента при стихании инфекционного процесса ждет повторное оперативное вмешательство, при этом частота рецидивов инфекции возрастает в десятки раз по сравнению с частотой инфекционных осложнений после первичной операции. Как правило, неэффективность лечения имплант-ассоциированной инфекции даже при качественно выполненной санации гнойного очага и удалении металлоконструкции обусловлено неэффективностью антибактериальной терапии. Это может быть вызвано неадекватным кровоснабжением в зоне остеосклероза или наличием выраженных рубцовых изменений в области оперативного вмешательства, особенно после повторных операций. Кроме того, по современным представлениям, микробные биопленки при имплант-ассоциированных инфекциях являются одной из основных причин безуспешности антибиотикотерапии из-за повышенной устойчивости микробных клеток в составе пленок [El-Husseini M., Patel S., MacFarlane R.J., Haddad F.S. Biodegradable antibiotic delivery systems. J Bone Joint Surgery 2011; 93 (Part 2): 151-7]. Лечение имплант-ассоциированной инфекции в травматологии и ортопедии является длительным, дорогостоящим и не всегда эффективным, а хронизация инфекционного процесса в большинстве случаев приводит к развитию остеомиелита и инвалидизации пациента. Таким образом, в травматологии-ортопедии особую значимость приобретает профилактика имплант-ассоциированной инфекции.
Одним из способов снижения риска развития имплант-ассоциированной инфекции в травматологии и ортопедии является антимикробная профилактика, которая заключается в использовании цефалоспоринов 1-2 поколения (цефазолин или цефуроксим) [Федеральное руководство по использованию лекарственных средств. Выпуск XI. M., «Эхо» 2010. - 944 с.]. Недостатком данного способа является отсутствие активности указанных антибиотиков в отношении большинства нозокомиальных штаммов: метициллинорезистентных стафилококков, энтеробактерий и синегнойной палочки, - возбудителей, которые приобретают особую значимость при повторных и многократных оперативных вмешательствах.
Другим способом профилактики имплант-ассоциированной инфекции, к примеру после эндопротезирования крупных суставов, является использование костного цемента, содержащего антибиотик (например, гентамицин) [Langlais F. 2003. Can we improve he results of revision arthroplasty for infected total hip replacement? J Bone Joint Surg Br 85: 637-640]. Недостатками данного способа является ограниченный перечень операций, при которых показано применение костного цемента, и медленное высвобождение антибактериального препарата, которое не позволяет достичь эффективных концентраций антибиотика в зоне оперативного вмешательства и не способствует предотвращению формирования микробных биопленок на самом цементе [Tunney M.M., Dunne N., Einarsson G., et al. Biofilm formation by bacteria isolated from retrieved failed prosthetic hip implants in an in vitro model of hip arthroplasty antibiotic prophylaxis. Journal of Orthopaedic Research, 2007; vol.25, N 1: 2-10].
Прототипом предлагаемого изобретения является способ профилактики имплант-ассоциированной инфекции с использованием биодеградируемых композиций, например коллагеновых губок, содержащих гентамицин. Использование данного способа позволяет превысить минимальную подавляющую концентрацию (МПК) гентамицина в отношении стафилококков в 600 раз и достичь эрадикации возбудителя даже в составе микробной пленки [http://www.collatamp.ru; Fux C.A., Costerton J.W., Stewart P.S., Stoodley P. Survival strategies of infections biofilm. Trends Microbiology 2005; 13: 34-40]. Недостатками данного способа является высокая стоимость коллагеновых губок, содержащих антибиотик, и доза гентамицина, вводимого в рану пациенту, в 3-5 раз превышающая разрешенную суточную дозировку.
Задачей изобретения явилось создание средства для профилактики имплант-ассоциированной инфекции, лишенного указанных недостатков.
Техническим результатом изобретения является предупреждение развития имплант-ассоциированной инфекции и сохранение антимикробной активности тканей, окружающих область установки имплантата.
Результат изобретения достигается за счет создания антимикробного средства на основе поливинилпирролидона (коллидон), содержащего в комбинации антимикробные препараты: антибиотик (гентамицин) и антисептик (диоксидин) в разрешенных дозах, которое активно в отношении большинства возбудителей инфекций костной ткани, является водорастворимым, и применения этого средства путем интраоперационного орошения имплантата и тканей в области его установки.
В таблице 1 представлена динамика клинических показателей у животных с экспериментальной имплант-ассоциированной инфекцией в раннем послеоперационном периоде, где знаком «*» обозначены показатели, значимо отличающиеся от их исходного уровня (p<0,05).
1
2
3
В таблице 2 представлена динамика клинико-биохимических показателей у животных с экспериментальной имплант-ассоциированной инфекцией в раннем послеоперационном периоде, где знаком «» обозначены показатели, значимо отличающиеся от их исходного уровня (p<0,05); знаком «» - показатель, достоверно отличающийся от аналогичного в III группе (p<0,05); знаком «» - показатель, значимо отличающийся от аналогичного в III группе (p<0,01).
1
2
3
В таблице 3 представлены результаты бактериологического исследования тканевых биоптатов и удаленных спиц Киршнера на 14 сутки после установки имплантата экспериментальным животным, где знаком «» обозначены показатели, значимо отличающиеся от их исходного уровня (p<0,05); знаком «» - показатель, достоверно отличающийся от аналогичного в III группе (p<0,05); знаком «» - показатель, значимо отличающийся от аналогичного в III группе (p<0,01);
Изобретение осуществляется следующим образом.
На основе среднемолекулярного коллидона в стерильных условиях готовят антимикробное средство, содержащее:
- гентамицина сульфат - 0,96 г;
- диоксидин - 1,0 г;
- коллидон (молекулярной массой 30000D) - 10,0 г;
- вода дистиллированная до 100,0 мл.
Способ профилактики имплант-ассоциированной инфекции заключается в интраоперационном орошении имплантата перед его установкой в костную ткань и дополнительном орошении тканей в области хирургического вмешательства антимикробным средством с последующим ушиванием послеоперационной раны, что приводит к эрадикации имеющейся в ране микрофлоры и заживлению раны первичным натяжением.
ПРИМЕР 1.
8
Для оценки эффективности предлагаемого способа в эксперименте были использованы 13 кроликов обоих полов породы Шиншилла массой 3-3,5 кг, которым выполняли операцию по имплантации спицы Киршнера в костномозговой канал бедренной кости. Для моделирования имплант-ассоциированной инфекции имплантат и окружающие ткани инфицировали двумя миллилитрами (2,0 мл) суточной бульонной культуры штамма S.aureus ATCC 6538, содержащей 1×10 КОЕ/мл.
Животным I (основной) группы (5 кроликов) под внутривенным наркозом (пропофол, фентанил) в асептических условиях фиксировали заднюю конечность. Продольным разрезом обнажали бедренную кость. Через вертел бедренной кости спицей Киршнера диаметром 1,5 мм перфорировали костно-мозговой канал и затем рассверливали канал спицей длиной 30 мм большего диаметра (2,5 мм), далее в полость канала вводили 0,5 мл микробной взвеси и орошали рану 1,5 мл микробной взвеси, после чего через 1-2 минуты устанавливали спицу Киршнера (30 мм, диаметром 2,5 мм), предварительно обработанную антимикробной полимерной композицией, дополнительно 2,0 мл композиции наносили из шприца на мягкие ткани в области раны, после чего рану ушивали и обрабатывали раствором йода.
Животным II группы (4 кролика) также моделировали имплант-ассоциированную инфекцию, но за 30 минут до начала операции вводили внутривенно цефтриаксон в дозе 50 мг/кг массы тела, а после инфицирования промывали рану раствором хлоргексидина.
Животным III (контрольной) группы (4 кролика) также моделировали имплант-ассоциированную инфекцию (по приведенной выше схеме), но не проводили профилактику дооперационным введением цефтриаксона или интраоперационным введением антимикробной композиции.
У всех животных в ходе эксперимента оценивали изменения температуры и массы тела, окружности оперированного бедра в динамике на 5-е, 7-е и 14-е сутки, а также выполняли клинический анализ крови и определяли C-реактивный белок (СРВ) в сыворотке крови до операции и в динамике на 7-е и 14-е сутки. Ежедневно оценивали общее состояние животных - поведение, потребление пищи и воды; отмечали наличие клинических признаков воспаления (отек, гиперемия, нарушение функции), измеряли ректальную температуру. Животных выводили из опыта на 14 сутки после операции для исследования микробной обсемененности удаленных конструкций (спиц Киршнера) и тканевых биоптатов из области хирургического вмешательства, а также антимикробной активности мышечной ткани.
Статистическую обработку результатов проводили с использованием непараметрических методов для малых выборок: U-критерий Мана-Уитни, достоверность различий при P<0,05. Результаты исследований приведены в таблицах 1-3.
В послеоперационном периоде не было установлено существенной разницы в температурной реакции у животных разных групп. При этом у животных контрольной группы отмечено значительное снижение массы тела на 575 г (p<0,05) к 14-м суткам по сравнению с исходной (табл.1). Оценка местных признаков воспаления показала, что у всех животных в послеоперационном периоде в разной степени имели место признаки воспаления (отек оперируемой конечности, гиперемия и гипертермия), однако в I и II группах эти явления были купированы к 5-м суткам, а у животных контрольной группы сохранялись до конца срока наблюдения, кроме того, у двух животных контрольной группы к 14-м суткам на фоне инфильтративных изменений сформировались участки абсцедирования.
Анализ лабораторных показателей продемонстрировал (табл.2), что у животных I и II групп количество лейкоцитов и уровень СРБ к 14 суткам не отличались от исходного уровня, при этом у животных II группы в конце срока наблюдения сохранялось повышение количества нейтрофилов в 1,5 раза по сравнению с исходным, а в I группе, которой вводили полимерную композицию, количество нейтрофилов возвращалось к исходному. У кроликов контрольной группы проявления инфекционно-воспалительного процесса были более выраженными во все сроки наблюдения: на 7-е и 14-е сутки уровень лейкоцитоза был существенно выше, чем в обеих группах сопоставления, кроме того, количество нейтрофилов на 14-е сутки было значимо больше, чем в группе животных, которым вводили антибактериальную полимерную композицию (табл.2).
8
Для определения антимикробной активности, создаваемой в мышечной ткани в результате предлагаемого способа, на 14-е сутки после установки имплантов брали тканевые биоптаты из области хирургического вмешательства (3 образца от каждого экспериментального животного). Пробы мышечной ткани гомогенизировали и далее готовили разведения 1:10 в физиологическом растворе. Далее 10 мкл приготовленного раствора наносили на стерильные бумажные диски диаметром 6 мм (аналогичные дискам для определения антибиотикочувствительности, но не нагруженные антибиотиком), которые помещали на чашки с агаром Бэрда-Паркера, предварительно засеянные газоном, тест-культурой S.aureus (100 мкл микробной суспензии 1·10 КОЕ/мл). Засеянные чашки с дисками термостатировали в течение 24 ч при 37°C, после чего оценивали зоны ингибиции роста стафилококка. Результаты представлены в таблице 3.
Для оценки микробной обсемененности инфицированных тканей осуществляли количественный посев исходного гомогенизата и разведении на чашки с кровяным агаром, по 100 мкл. Инкубировали 24 ч при 37°C, после чего подсчитывали количество колоний на чашках и оценивали число микробных клеток в 1 г ткани. Результаты приведены в таблице 3.
Для исследования микробных биопленок, сформированных на имплантатах, удаленные спицы помещали в стерильные контейнеры с физиологическим раствором в количестве 10:1 относительно массы фрагмента и обрабатывали ультразвуком в течение 5 минут при мощности 300 Вт и номинальной частоте 40 кГц. Затем высевали по 100 мкл суспензии на чашки с агаром Бэрда-Паркера. Инкубировали 24 ч при 37°C, после чего подсчитывали количество колоний на чашках и оценивали микробную обсемененность спицы.
Установлено, что у животных I группы мышечная ткань из области нанесения полимерной антибактериальной композиции обладала антимикробной активностью на 14-е сутки после ее введения (табл.3). Показано, что в результате использования заявленного способа ткани, окружающие рану, приобретают антимикробные свойства, препятствующие развитию инфекционного процесса в локусе, зараженном суспензией стафилококка. Содержание бактериальных клеток в 1 г тканей не превышало 0-0,48 в логарифмическом представлении (Lg КОЕ/г), в отличие от аналогичных показателей при использовании способа сравнения 0,19-1,93 и по сравнению с контролем 3,34-4,52.
При применении предлагаемого способа ткани, окружащие рану, приобретают и сохраняют антимикробные свойства до 14 суток и проявляют антимикробную активность, что подтверждается методом диффузии в агар: зоны задержки роста тест-культуры при исследовании образцов тканей экспериментальных животных составляли от 6 до 30 мм, в отличие от аналогичных показателей при использовании способа сравнения (0 мм) и по сравнению с контролем (0 мм).
2
2
2
Эффективность предлагаемого способа подтверждается также результатами бактериологического исследования удаленных спиц, после обработки ультразвуком. Микробная обсемененность удаленных имплантатов в основной группе составила 0-2,4 КОЕ/см поверхности, в отличие от аналогичных показателей 1,2-7,3 КОЕ/см при использовании способа сравнения и в отличие от 13,9-408,2 КОЕ/см в контрольной группе.
Анализ представленных данных показывает, что интраоперационное применение заявляемого антимикробного средства при ортопедических операциях позволяет предупредить развитие имплант-ассоциированной инфекции в послеоперационном периоде, что проявляется ранней нормализацией клинических и клинико-лабораторных показателей и подтверждается результатами бактериологических исследований.
Таким образом, как видно из приведенного примера, заявляемое нами антимикробное средство, содержащее антибактериальные препараты в разрешенных дозах, в отличие от прототипа, и способ его применения позволяют предупредить развитие имплант-ассоциированной инфекции при установке ортопедических металлоконструкций за счет сохранения антимикробной активности тканей, окружающих рану, до 14 суток после операции.
Литература
1. El-Husseini M., Patel S., MacFarlane R.J., Haddad F.S. Biodegradable antibiotic delivery systems. // J Bone Joint Surgery 2011; 93 (Part 2): 151-7.
2. Федеральное руководство по использованию лекарственных средств. Выпуск XI. M., «Эхо», 2010. - 944 с.
3. Langlais F. Can we improve he results of revision arthroplasty for infected total hip replacement? // J Bone Joint Surg Br 2003; 85: 637-640.
4. Tunney M.M., Dunne N., Einarsson G., et al Biofilm formation by bacteria isolated from retrieved failed prosthetic hip implants in an in vitro model of hip arthroplasty antibiotic prophylaxis. // Journal of Orthopaedic Research, 2007; vol.25, N 1: 2-10.
5. http://www.collatamp.ru
6. Fux C.A., Costerton J.W., Stewart P.S., Stoodley P. Survival strategies of infections biofilm. // Trends Microbiology 2005; 13: 34-40.
Таблица 1
Группы животных
Температура тела, °C <maths num="1"><math display="block"><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>M</mi><mi>c</mi><mi>p</mi><munder accentunder="true"><mrow><mo>+</mo><mi>m</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></math><img file="00000001.tif" he="6" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
Масса тела, г <maths num="2"><math display="block"><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>M</mi><mi>c</mi><mi>p</mi><munder accentunder="true"><mrow><mo>+</mo><mi>m</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></math><img file="00000002.tif" he="6" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
Объем оперированного бедра, см <maths num="3"><math display="block"><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>M</mi><mi>c</mi><mi>p</mi><munder accentunder="true"><mrow><mo>+</mo><mi>m</mi></mrow><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></math><img file="00000002.tif" he="6" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
Сроки наблюдения, сут
Исх.
5
7
14
Исх.
5
7
14
Исх.
5
7
14
I
38,7±1,5
38,7±1,7
38,5±2,0
38,6±1,8
3300±150
3200±116
3200±115
3370±160
25±1,2
26,2±1,3
25,5±1,2
25,2±1,1
II
38,7±1,9
38,9±2,4
39,0±1,9
38,9±1,8
3275±120
3000±102
2870±112
3000±110
24,4±1,4
25,8±1,3
25,6±1,2
25,5±1,2
III
38,6±1,9
39,2±1,8
39,0±2,4
38,9±1,5
3250±117
3130±130
2850±128
2675*±130
24,9±1,8
27,9±1,4
28,9±1,4
29,1*±1,4
Таблица 2
Группа животных
Показатели, Mcp±ст. ошибка /сроки исследования, сут
Лейкоциты, 10<sup>9</sup>/л
Нейтрофилы, 10<sup>9</sup>/л
C-реактивный белок, мг/л
0
7
14
0
7
14
0
7
14
I
10,1±0,6
11,0<sup>3</sup>±0,3
10,5<sup>3</sup>±0,7
4,9±0,4
5,0±0,6
4,4<sup>2</sup>±0,4
0,19±0,04
0,20<sup>2</sup>±0,05
0,12<sup>3</sup>±0,04
II
10,1±1,1
12,9<sup>1,2</sup>±0,8
11,6<sup>3</sup>±0,6
4,3±0,6
6,6±1,6
6,6±1,2
0,25±0,04
0,32±0,03
0,23<sup>3</sup>±0,06
III
10,9±0,7
16,3<sup>1</sup>±1,0
16,4<sup>1</sup>±1,0
4,8±0,6
7,3±1,0
8,2<sup>1</sup>±1,0
0,20±0,07
1,02<sup>1</sup>±0,27
1,21<sup>1</sup>±0,20
Таблица 3
Группы животных
№ кролика
Микробная обсемененность штаммом S.aureus
Антимикробная активность мышечной ткани
удаленного имплантата
мышечной ткани
КОЕ/см<sup>2</sup>
КОЕ/г
LgKOE/г
Зона задержки роста S.aureus (мм)
I группа
96
0
0
0,00
9/7/9
116
0
0
0,00
10/12/6
115
2,4
2,0
0,30
30/13/12
125
1,2
3,0
0,48
8/10/6
124
0
0,3
0,00
7/13/10
II группа
123
1,2
1,53
0,19
0/0/0
122
7,3
8,60·10<sup>1</sup>
1,93
0/0/0
118
3,3
9,33
0,97
0/0/0
117
2,4
4,33
0,64
0/0/0
III группа
127
13,9
2,61·10<sup>3</sup>
3,42
0/0/0
126
22,9
3,27·10<sup>4</sup>
4,51
0/0/0
97
19,6
2,20·10<sup>3</sup>
3,34
0/0/0
98
408,2
3,30·10<sup>4</sup>
4,52
0/0/0