In vitro исследование динамики элюции антибактериальных препаратов, импрегнированных в матрицы на основе полимерного гидрогеля

Автор: Меликова Регина Энверпашаевна, Цискарашвили Арчил Важаевич, Артюхов Александр Анатольевич, Сокорова Наталья Вячеславовна

Журнал: Гений ортопедии @geniy-ortopedii

Рубрика: Оригинальные статьи

Статья в выпуске: 1 т.29, 2023 года.

Бесплатный доступ

Цель. Изучить динамику и длительность элюции антибактериальных препаратов из образцов на основе полимерного гидрогеля и ПММА. Материалы и методы. Сравниваемые образцы, импрегнированные ванкомицином, рифампицином и цефазолином в различных концентрациях, помещали в фосфатно-солевой буфер, инкубировали при 37 °C. На 1, 3, 7, 14, 21 и 28 сутки проводили полную замену среды. Концентрацию препаратов в растворе и их профили высвобождения определяли спектрофотометрическим методом. Для статистического описания данных 5 параллельных исследований использовали медиану и 95 % ДИ. Результаты. На протяжении всего периода исследования концентрации всех протестированных антибиотиков, элюированных из полимерного гидрогеля, превышали концентрации, высвобожденные из ПММА, в среднем в 7 раз на 1-е сутки, в 15 раз - на 2-е и 3-и сутки, в 6,6 раза - на 7-е сутки, в 3 раза и более - в последующие дни наблюдения. Заметно отличалась и скорость релиза антибиотиков из объема гидрогелей. Обсуждение. Для всех гидрогелевых образцов релиз препаратов составил более 70 % от его общего количества, в отличие от ПММА, элюция которого не превышала 10 %. Несмотря на то, что, как и в случае костного цемента, наблюдался бёрст-релиз, и до 80 % антибиотика высвободилось в первые 5 суток наблюдений, концентрация элюированного препарата из гидрогелей была кратно выше и превышала МПК в течение всего периода наблюдения. Высвобождение противомикробного агента из гидрогелей обусловлено диффузией частиц из вcего объема матрицы, что является важным преимуществом по сравнению с ПММА, потенциал которого ограничен поверхностным истощением. Заключение. На данном этапе нами показана возможность создания потенциальных депо-систем на основе ненасыщенных производных ПВС с контролируемым релизом антибиотиков, которые превосходят по своим характеристикам ПММА.

Еще

Элюция антибиотиков, релиз антибиотиков, контролируемое высвобождение антибиотиков, полимерный биодеградируемый гидрогель, костный цемент, полиметилметакрилат (пмма), ортопедическая инфекция, in vitro исследование

Короткий адрес: https://sciup.org/142237487

IDR: 142237487   |   DOI: 10.18019/1028-4427-2023-29-1-64-70

Список литературы In vitro исследование динамики элюции антибактериальных препаратов, импрегнированных в матрицы на основе полимерного гидрогеля

  • Lee SH, Tai CL, Chen SY, Chang CH, Chang YH, Hsieh PH. Elution and Mechanical Strength of Vancomycin-Loaded Bone Cement: In Vitro Study of the Influence of Brand Combination. PLoS One. 2016 Nov 17;11(11):e0166545. doi: 10.1371/journal.pone.0166545
  • van Vugt TAG, Arts JJ, Geurts JAP. Antibiotic-Loaded Polymethylmethacrylate Beads and Spacers in Treatment of Orthopedic Infections and the Role of Biofilm Formation. Front Microbiol. 2019 Jul 25;10:1626. doi: 10.3389/fmicb.2019.01626
  • Ferreira M, Rzhepishevska O, Grenho L, Malheiros D, Gonijalves L, Almeida AJ, Jordäo L, Ribeiro IA, Ramstedt M, Gomes P, Bettencourt A. Levofloxacin-loaded bone cement delivery system: Highly effective against intracellular bacteria and Staphylococcus aureus biofilms. Int J Pharm. 2017 Oct 30;532(1):241-248. doi: 10.1016/j.ijpharm.2017.08.089
  • 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
  • Bistolfi A, Massazza G, Verne E, Masse A, Deledda D, Ferraris S, Miola M, Galetto F, Crova M. Antibiotic-loaded cement in orthopedic surgery: a review. ISRNOrthop. 2011 Aug 7;2011:290851. doi: 10.5402/2011/290851
  • Luo S, Jiang T, Long L, Yang Y, Yang X, Luo L, Li J, Chen Z, Zou C, Luo S. A dual PMMA/calcium sulfate carrier of vancomycin is more effective than PMMA-vancomycin at inhibiting Staphylococcus aureus growth in vitro. FEBS Open Bio. 2020 Apr;10(4):552-560. doi: 10.1002/22115463.12809
  • Shen SC, Letchmanan K, Chow PS, Tan RBH. Antibiotic elution and mechanical property of TiO2 nanotubes functionalized PMMA-based bone cements. J Mech Behav Biomed Mater. 2019 Mar;91:91-98. doi: 10.1016/j.jmbbm.2018.11.020
  • Bishop AR, Kim S, Squire MW, Rose WE, Ploeg HL. Vancomycin elution, activity and impact on mechanical properties when added to orthopedic bone cement. J Mech Behav Biomed Mater. 2018 Nov;87:80-86. doi: 10.1016/j.jmbbm.2018.06.033
  • Al Thaher Y, Yang L, Jones SA, Perni S, Prokopovich P. LbL-assembled gentamicin delivery system for PMMA bone cements to prolong antimicrobial activity. PLoS One. 2018 Dec 13;13(12):e0207753. doi: 10.1371/journal.pone.0207753 10.
  • Wall V, Nguyen TH, Nguyen N, Tran PA. Controlling Antibiotic Release from Polymethylmethacrylate Bone Cement. Biomedicines. 2021 Jan 1;9(1):26. doi: 10.3390/biomedicines9010026
  • Моргачёва А.А., Артюхов А.А., Панов А.В., Гордиенко М.Г., Штильман М.И., Межуев Я.О. Синтез поливинилового спирта с метакрилат-ными группами и гидрогелей на его основе. Журнал прикладной химии. 2015;88(4):617-621.
  • Моргачёва А.А., Артюхов А.А., Флегонтов П.А., Жаворонок Е.С., Штильман М.И., Панов А.В., Межуев Я.О. Новые метакрилатсодержа-щие производные гидроксиэтилкрахмала. Журнал общей химии. 2016;86(4):885-889. doi: 10.1134/S1070363216040204
  • Перецманас Е.О., Артюхов А.А., Штильман М.И., Есин И.В., Зубиков В.С., Герасимов И.А. Исследование элюционных характеристик противотуберкулезных препаратов, загруженных в образцы костного цемента. Туберкулёз и болезни лёгких. 2021;99(4):30-35. doi: 10.21292/2075-1230-2021-99-4-30-35
  • Gálvez-López R, Peña-Monje A, Antelo-Lorenzo R, Guardia-Olmedo J, Moliz J, Hernández-Quero J, Parra-Ruiz J. Elution kinetics, antimicrobial activity, and mechanical properties of 11 different antibiotic loaded acrylic bone cement. Diagn Microbiol Infect Dis. 2014 Jan;78(1):70-74. doi: 10.1016/j.diagmicrobio.2013.09.014
  • Mensah LM, Love BJ. A meta-analysis of bone cement mediated antibiotic release: Overkill, but a viable approach to eradicate osteomyelitis and other infections tied to open procedures. Mater Sci Eng CMater Biol Appl. 2021 Apr;123:111999. doi: 10.1016/j.msec.2021.111999
  • Gandomkarzadeh M, Mahboubi A, Moghimi HR. Release behavior, mechanical properties, and antibacterial activity of ciprofloxacin-loaded acrylic bone cement: a mechanistic study. Drug Dev Ind Pharm. 2020 Aug;46(8):1209-1218. doi: 10.1080/03639045.2020.1788058
  • Cyphert EL, Learn GD, Hurley SK, Lu CY, von Recum HA. An Additive to PMMA Bone Cement Enables Postimplantation Drug Refilling, Broadens Range of Compatible Antibiotics, and Prolongs Antimicrobial Therapy. Adv Healthc Mater. 2018 Nov;7(21):e1800812. doi: 10.1002/ adhm.201800812
  • Swearingen MC, Granger JF, Sullivan A, Stoodley P. Elution of antibiotics from poly(methyl methacrylate) bone cement after extended implantation does not necessarily clear the infection despite susceptibility of the clinical isolates. Pathog Dis. 2016 Feb;74(1):ftv103. doi: 10.1093/femspd/ftv103
  • Funk GA, Menuey EM, Ensminger WP, Kilway KV, McIff TE. Elution of rifampin and vancomycin from a weight-bearing silorane-based bone cement. Bone Joint Res. 2021 Apr;10(4):277-284. doi: 10.1302/2046-3758.104.BJR-2020-0430.R1
  • Li T, Fu L, Wang J, Shi Z. High dose of vancomycin plus gentamicin incorporated acrylic bone cement decreased the elution of vancomycin. Infect Drug Resist. 2019 Jul 18;12:2191-2199. doi: 10.2147/IDR.S203740
  • Neut D, Dijkstra RJ, Thompson JI, van der Mei HC, Busscher HJ. Antibacterial efficacy of a new gentamicin-coating for cementless prostheses compared to gentamicin-loaded bone cement. J Orthop Res. 2011 Nov;29(11):1654-1661. doi: 10.1002/jor.21433
  • Kim S, Bishop AR, Squire MW, Rose WE, Ploeg HL. Mechanical, elution, and antibacterial properties of simplex bone cement loaded with vancomycin. J Mech Behav Biomed Mater. 2020 Mar;103:103588. doi: 10.1016/j.jmbbm.2019.103588
  • Chen IC, Su CY, Nien WH, Huang TT, Huang CH, Lu YC, Chen YJ, Huang GC, Fang HW. Influence of Antibiotic-Loaded Acrylic Bone Cement Composition on Drug Release Behavior and Mechanism. Polymers (Basel). 2021 Jul 8;13(14):2240. doi: 10.3390/polym13142240
  • Balato G, Roscetto E, Vollaro A, Galasso O, Gasparini G, Ascione T, Catania MR, Mariconda M. Bacterial biofilm formation is variably inhibited by different formulations of antibiotic-loaded bone cement in vitro. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2019 Jun;27(6):1943-1952. doi: 10.1007/ s00167-018-5230-x
  • Slane J, Gietman B, Squire M. Antibiotic elution from acrylic bone cement loaded with high doses of tobramycin and vancomycin. J Orthop Res. 2018 Apr;36(4):1078-1085. doi: 10.1002/jor.23722
  • Dusane DH, Diamond SM, Knecht CS, Farrar NR, Peters CW, Howlin RP, Swearingen MC, Calhoun JH, Plaut RD, Nocera TM, Granger JF, Stoodley P. Effects of loading concentration, blood and synovial fluid on antibiotic release and anti-biofilm activity of bone cement beads. J Control Release. 2017 Feb 28;248:24-32. doi: 10.1016/j.jconrel.2017.01.005
  • Schwarz EM, McLaren AC, Sculco TP, et al. Hospital for Special Surgery 2019 Biofilm Symposium Workgroup. Adjuvant antibiotic-loaded bone cement: Concerns with current use and research to make it work. J Orthop Res. 2021 Feb;39(2):227-239. doi: 10.1002/jor.24616
  • Божкова С.А., Новокшонова А.А., Конев В.А. Современные возможности локальной антибиотикотерапии перипротезной инфекции и остеомиелита (обзор литературы). Травматология и ортопедия России. 2015;21(3):92-107. doi: 10.21823/2311-2905-2015-0-3-92-107
  • Cunha MT, Mur^a MA, Nigro S, Klautau GB, Salles MJC. In vitro antibacterial activity of bioactive glass S53P4 on multiresistant pathogens causing osteomyelitis and prosthetic joint infection. BMC Infect Dis. 2018 Apr 3;18(1):157. doi: 10.1186/s12879-018-3069-x
  • Paz E, Sanz-Ruiz P, Abenojar J, Vaquero-Martín J, Forriol F, Del Real JC. Evaluation of Elution and Mechanical Properties of High-Dose Antibiotic-Loaded Bone Cement: Comparative "In Vitro" Study of the Influence of Vancomycin and Cefazolin. J Arthroplasty. 2015 Aug;30(8):1423-1429. doi: 10.1016/j.arth.2015.02.040
  • 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 Nov;37(11):e999-1005. doi: 10.3928/01477447-20141023-57
Еще
Статья научная