Элюция из различных костных цементов ванкомицина и меропенема при их комбинированном применении

В настоящее время в ортопедической хирургии для профилактики и в комплексном лечении пациентов с перипротезной инфекцией и остеомиелитом достаточно широко используют эффективную практику насыщения материалов для заполнения костных полостей и дефектов (так называемый костный цемент) различными антибиотиками [1–3]. Принцип такого подхода состоит в постепенном высвобождении антибиотика из материала для достижения более эффективной локальной терапевтической концентрации антибиотиков, чем при исключительно их парентеральном введении, а также снижения токсического воздействия антибиотиков на организм [4–6]. Технология применения костного цемента с антибиотиками оказалась достаточно эффективной при первичном эндопротезировании суставов для профилактики глубоких инфекций [7]. Поэтому внесение в костные цементы антибиотиков становится рутинной практикой. Расширение практики применения этой технологии связано с использованием большего спектра различных антибиотиков [8–10]. Дополнительным стимулом развития данного направления является прогностически негативная ситуация с увеличением количества выделяемых штаммов при остеомиелите, нарастание их устойчивости к антибиотикам, а также рост доли ассоциаций микроорганизмов у пациентов с хроническим остеомиелитом [11–13]. Решение этих задач может быть связано как с расширением спектра используемых материалов для замещения дефектов [14–16], так с применением комплекса антибиотиков, тропных как к грамположительной, так и к грамотрица-тельной флоре [17].

Цель работы — провести оценку скорости элюции ванкомицина и меропенема из костных цементов на основе полиметилметакрилата и полимеров полиуретанового ряда, импрегнированных в материал в составе комплекса.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В исследовании in vitro проведен сравнительный анализ кинетики высвобождения ванкомицина и ме-ропенема (оба антибиотика производства ООО Промомед, Россия) из двух материалов:

• —    рекост на основе полимеров полиуретанового ряда (Н. Новгород, РЗН 2014/1646 от 03.07.2014, бессрочно) (серия ПУ);

• —    костный цемент (РУ № ФСЗ 2012/11622 от 19.03.2012, бессрочно) на основе полиметилметакрилата (серия ПММА).

Из тестируемых материалов (согласно инструкции к их применению) формировали цилиндры высотой 7 мм и диаметром 4 мм. Антибиотики вносили в материал до начала их полимеризации в следующих пропорциях:

• —    группа 1 — полимер : антибиотик 10 г : 1 г (0,5 г ванкомицина + 0,5 г меропенема);

• —    группа 2 — полимер : антибиотик 10г : 0,5г (0,25 г ванкомицина + 0,25 г меропенема);

Для контроля использовали образцы, нагруженные одним антибиотиком:

• —    группа 1в — полимер : антибиотик 10 г : 0,5 г ванкомицина;

• —    группа 1м — полимер : антибиотик 10 г : 0,5 г меропенема;

• —    группа 2в — полимер : антибиотик 10 г : 0,25 г ванкомицина;

• —    группа 2м — полимер : антибиотик 10 г : 0,25 г меропенема.

Цилиндры инкубировали в 10 мл физиологического раствора в термостате при 37 °С. Инкубационный раствор (элюат) в течение первой недели меняли ежедневно, в последующем — раз в неделю. В каждой группе инкубировали по шесть образцов. Параллельно инкубировали образцы без антибиотика (нулевой контроль).

В каждой пробе инкубационного раствора спектрофотометрически, относительно стандартной калибровочной кривой, по интенсивности поглощения определяли концентрацию тестируемых антибиотиков: ванкомицин – при 280 нм, меропенем – при 298 нм. При расчетах концентрации опытных проб вычитали значения экстинкции в пробах нулевого контрольного материала (без антибиотиков). Инкубацию прекращали, когда в пробах в течение двух недель отмечали следовые количества антибиотиков.

Исследования выполнены с учетом рекомендаций, обозначенных в ГОСТе ISO 10993-13-2016 «Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 13. Идентификация и количественное определение продуктов деструкции полимерных медицинских изделий».

В параллелях рассчитывали медиану и интерквартильный размах (Q1–Q3). Достоверность различий между группами оценивали с помощью W-критерия Вилкоксона для независимых выборок.

Работа выполнена в формате in vitro исследования без участия животных или человека, поэтому разрешение этического комитета на ее проведение не требовалось.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Динамика высвобождения ванкомицина из материалов серии ПММА и ПУ, насыщенных комплексом ванкомицин-меропенем в соотношении 0,5 + 0,5 г (группа 1), была практически одинакова, с максимальным высвобождением антибиотиков после первых суток инкубации (рис. 1). При этом объем высвобождающегося ванкомицина из материала на основе ПУ, насыщенного комплексом антибиотиков, был выше, чем из этого же материала, насыщенного только ванкомицином (группа 1в). При содержании антибиотиков в соотношении 0,25 + 0,25 г (группа 2) высвобождение ванкомицина было выше в серии ПММА, при этом элюция ванкомицина из материала на основе ПУ в группе 2в была заметно выше, чем в группе 2.

Рис. 1. Динамика высвобождения ванкомицина (% от общей массы введенного антибиотика) из тестируемых материалов (Ме, интерквартильный размах); * — достоверность различий между сериями при р < 0,05. По оси абсцисс — сутки инкубации

Высвобождение меропенема из материалов на основе ПММА и ПУ, насыщенных комплексом ванкомицин-меропенем в соотношении 0,5 : 0,5 г (группа 1), было практически одинаково, однако общий объем высвобождающего меропенема из обоих материалов, насыщенных смесью антибиотиков, был в 1,5–2,0 раза ниже, чем из материалов, загруженных только меропенемом (рис. 2). В группе 2 высвобождение меропе-нема было выше в серии ПММА, в группе 2м, наоборот, — в серии материалов на основе ПУ. В целом стоит отметить, что объемы элюированного меропенема из обоих материалов, содержащих комплекс антибиотиков, были существенно ниже, чем из материалов, насыщенных монопрепаратом.

Рис. 2. Динамика высвобождения меропенема (% от общей массы введенного антибиотика) из тестируемых материалов (Ме, интерквартильный размах); * — достоверность различий между сериями при р < 0,05. По оси абсцисс — сутки инкубации группа 1м (0,5 меропенем)                  группа 2м (0,25 меропенем)

В целом общие характеристики элюции ванкомицина и меропенема при загрузке исследуемых материалов смесью данных антибиотиков в равном весовом соотношении отличались относительно высвобождения в моноварианте (табл. 1). Элюция ванкомицина как из материала ПММА, так и из материала на основе ПУ, загруженных смесью ванкомицин+меропенем, была больше по конечному объему и более длительной по времени, чем из материалов, содержащих только один ванкомицин. В свою очередь, высвобождение меропенема из ПММА и ПУ, загруженных смесью ванкомицин+меропенем, было по объему меньше, чем из материалов, содержащих один меропенем.

Таблица 1

Общие результаты кинетики высвобождения антибиотиков в разных концентрациях из материалов ППМА и ПУ (Медиана)

Антибиотик	Группа	L , сутки	V О , %	Мах , сутки (%)
		ПММА/ПУ
Ванкомицин	1в (моно 0,5)	35/35	20,8/30,1	1(9,4)/1(4,4)
	1 (смесь 0,5)	77/63	45,7#/64,4*#	1(10,4)/1(11,1)
	2в (моно 0,25)	21/21	13,8/33,6*	1(7,0)/1(14,7)
	2 (смесь 0,25)	42/42	42,0#/32,9	1(18,3)/1(10,0)
Меропенем	1м (моно 0,5)	28/28	16,5/21,5	1(7,5)/1(7,7)
	1 (смесь 0,5)	56/56	11,6#/12,5#	1(5,2)/1(5,2)
	2м (моно 0,25)	14/14	15,3/23,4	1(5,9)/1(9,1)
	2 (смесь 0,25)	21/14	8,1#/4,0*#	1(5,0)/1(2,9)

Примечание : L — длительность высвобождения антибиотика; V_О — суммарный объем высвободившегося антибиотика в % относительно всего импрегнированного объема; Мах — срок наблюдения (в сутках) когда отмечался максимальный объем высвободившегося антибиотика и в скобках процент этого высвободившегося антибиотика относительно всего импрегнирован-ного антибиотика; * — различия между ПММА и ПУ достоверны при р < 0,05; ^# — достоверные отличия от группы монотерапии при р < 0,05.

ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты настоящего исследования демонстрируют, что кинетика высвобождения ванкомицина и меропенема при загрузке материалов для замещения постостеомиелитических дефектов смесью данных антибиотиков в равном весовом соотношении отличилась от кинетики высвобождения в случае, когда в материал загружали один антибиотик. В частности, высвобождение ванокомицина из обоих изученных материалов в случае их загрузки смесью ванкомицин + меропенем было больше, чем из материалов, содержащих один ванкомицин. При этом высвобождение ванкомицина из материала на основе ПУ было более эффективным, чем из ПММА. В свою очередь, высвобождение меропене-ма из обоих изученных материалов в случае их загрузки смесью ванкомицин + меропенем было менее эффективно, чем из материалов, насыщенных только меропенемом.

Имеющиеся литературные данные в основном посвящены элюции монопрепаратов антибиотиков, импрегнированных в костный цемент на основе ПММА [8–10]. Нами встречена единственная работа, в которой изучена элюция исследуемой нами смеси антибиотиков. Отмечено, что элюирование ванкомицина из акрилового цемента не зависело от присутствия меропенема [18]. Эти результаты близки к нашим данным, поэтому можно констатировать, что применение комплекса ванкомицина и меропе-нема в составе костных цементов обнаруживает следующую особенность, — один антибиотик (меропе-нем) способствует высвобождению другого (ванкомицин), при этом собственная элюция меропенема снижается.

В целом, практически все аналогичные исследования кинетики высвобождения различных комбинаций антибиотиков в составе костных цементов отмечают общее правило, — комбинация антибиотиков в составе материалов для замещения инфицированных дефектов кости изменяет характеристики высвобождения всех входящих в состав антибактериальных компонентов, как усиливая, так и ослабляя их элюцию [19, 20]. Показано, что при сочетании гентамицина и ванкомицина отмечается синергетический эффект, — элюция обоих антибиотиков при совместной загрузке в костный цемент увеличивается [21]. При сочетании тобрамицина и ванкомицина увеличивается высвобождение ванкомицина по сравнению с высвобождением ванкомицина в чистом виде [22]. Случаи усиления/ослабления элюции отдельных антибиотиков описаны и для комплексов, состоящих из трех антибиотиков (цефазоли-на, гентамицин, ванкомицин) [23].

Дозозависимые особенности элюции антибиотиков по результатам нашего исследования следующие: для обоих использованных материалов наблюдали прямую зависимость между исходной концентрацией импрегнированных антибиотиков и объемами их элюции, при этом зависимость доза/элюция носила нелинейный характер, что также согласуется с литературными данными [24].

Кинетика высвобождения антибиотиков в зависимости от исходного соотношения масс комбинируемых антибиотиков в цементе изучена достаточно слабо, хотя и здесь сохраняется общая закономерность, — повышение доли отдельного антибиотика может менять (усиливать или снижать) профиль кинетики другого антибиотика [25].

Кроме того, на кинетику элюции антибиотиков, как показывают наши исследования и литературные данные, может влиять состав материала, используемого для замещения костных дефектов [26, 27], и его вязкость [28].

Поэтому в целом можно заключить, что каждое сочетание антибиотиков и каждая марка цемента демонстрирует свой уникальный профиль высвобождения антибиотиков [24]. Эти обстоятельства серьезно затрудняют выбор материала и комбинации антибиотиков на практике. С учетом того, что профиль кинетики антибиотиков определяется также составом цемента, выбор материала и используемых антибиотиков в клинических условиях может представлять существенную сложность и нести достаточные риски того, что антибактериальная эффективность применения импрегнированных антибиотиками костных цементов для замещения постостеомиелитических дефектов будет ниже ожидаемой. Поэтому на данном этапе наиболее доступным выглядит подход, при котором образец костного цемента с антибиотиками перед применением в клинике тестируют по показателям эффективности (элюция и антибактериальная чувствительность) в исследовании in vitro , чтобы убедиться в том, что комбинация антибиотиков подходит для выбранного цемента [24].

Для повышения элюции антибиотиков из костных цементов свое применение могут найти подходы, связанные с дополнительной модификацией материала за счет его химической модификации, использования различных армирующих элементов, насыщения материала антимикробными средствами, не относящимися к антибиотикам [29–32].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комбинирование нескольких антибиотиков в материалах для заполнения костных дефектов как на основе полиметилметакрилата, так и полимеров полиуретанового ряда влияет на скорость элюции антибиотиков в отличие от скорости высвобождения антибиотиков, загруженных в материал в случае монотерапии. В частности, меропенем в составе комплекса с ванкомицином увеличивает скорость высвобождения ванкомицина.