Zur Beeinflussung des Bakterienwachstums durch alloplastische Knochenersatzmaterialien

Zusammenfassung

Hintergrund: Alloplastische Werkstoffe werden üblicherweise auf ihre Toxizität hin, ihr Verhalten im tierischen Organismus sowie in der Zellkultur auf ihre Eignung als Knochenersatzmaterial überprüft. Speziell Mittelohrimplantate, die durch rezidivierende Infektionen besonders beansprucht sein können, sollten ergänzend im bakteriell kontaminierten Milieu getestet werden.

Material und Methode: V-O CEM, bioaktive Glaskeramik sowie Hydroxylapatit wurden im Agardiffusionstest und im Keimsuspensionstest mit Staphylococcus (S.) aureus, Escherichia (E.) coli, Proteus mirabilis, Pseudomonas (Ps.) aeruginosa und Enterokokken kontaminiert und bzgl. ihrer antibakteriellen Eigenschaften untersucht. Bei V-O CEM war zu berücksichtigen, daß es in 2 unterschiedlichen Aggregatzuständen (zähflüssig und als ausgehärteter Formkörper) in den Organismus implantiert werden kann.

Ergebnisse: Frisch angemischtes V-O CEM wirkte auf die Mikroorganismen im Agardiffusionstest bis zu 60 min antibakteriell. Im Keimsuspensionstest (S. aureus, Ps. aeruginosa., E. coli) begünstigte 1 h ausgehärtetes V-O CEM nach 48stündiger Inkubation das E.-coli-Wachstum; S. aureus war in seiner Wachstumsaktivität eingeschränkt und Pseudomonaskulturen waren nach 48 h abgestorben; 24 h und 7 Tage ausgehärtetes V-O CEM wirkte – abgeschwächt – in gleicher Weise auf die Keime.Im Keimsuspensionstest wurden die antibakteriellen Eigenschaften von 24 h erhärtetem V-O CEM, von bioaktiver Glaskeramik und Hydroxylapatit auf S.-aureus-, Pseudomonas- und E.-coli-Kulturen verglichen. S. aureus wurde durch Hydroxylapatit auch nach 48stündiger Inkubation in seinem Wachstum gehemmt; E. coli wuchs nach 48 h in der Suspension mit bioaktiver Glaskeramik und V-O CEM geringfügig, während Hydroxylapatit das Keimwachstum hemmte; V-O CEM hemmte das Wachstum von Ps. aeruginosa, während bioaktive Glaskeramik und Hydroxylapatit das Keimwachstum vorübergehend begünstigten.

Diskussion und Schlußfolgerung: Wie polymere Ersatzmaterialien (S. epidermidis) und Metalle (S. aureus) weisen auch V-O CEM, bioaktive Glaskeramik und Hydroxylapatit eine materialabhängig bevorzugte Keimwachstumsförderung auf. Durch präklinische Tests sollte dem Anwender Gelegenheit gegeben werden, sich im Vorfeld über die Eigenschaften von Knochenersatzmaterialien zu informieren. Die unterschiedliche Wirkung der getesteten Knochenersatzmaterialien auf Bakterien machen u.a. Untersuchungen zur materialspezifischen Beeinflussung des Keimwachstums empfehlenswert. Auch wenn In-vitro-Untersuchungen die Situation im menschlichen Organismus nur unzureichend simulieren können, so gewinnt der Anwender doch einen Eindruck über das zu erwartende Verhalten eines Ersatzmaterials, z.B. im gelegentlich bakteriell kontaminierten oder infizierten Mittelohr.

Summary

Background: To determine the applicability of alloplastic materials as bone substitutes it is now standard procedure to test materials for possible toxic effects and to study their behavior in animal models and cell cultures. This is especially important with respect to middle ear implants that can be put at risk by recurrent infections and require additional testing in a bacterially contaminated environment.

Materials and methods: In the present study ionomeric cement (V-O CEM), bioactive glass ceramic and hydroxyapatite were subjected to contamination with S. aureus, E. coli, Pr. mirabilis, Ps. aeruginosa and Enterococci using agar diffusion and microbial suspension tests and examined for their antibacterial activity. A special feature of V-O CEM that had to be considered was that it could be implanted in two physical states (as a viscous substance and a fully hardened material).

Results: The agar diffusion test showed that an antibacterial effect of freshly mixed V-O CEM was demonstrable for up to 60 min. In the microbial suspension test growth of E. coli was found to be promoted after 48-h incubation by V-O CEM set for 1 h. S. aureus exhibited a depressed growth, while Pseudomonas cultures demonstrated cell death after 48 h. V-O CEM set for 24 h and 7 days, respectively, exerted a similar though less pronounced effect. Using the microbial suspension test, a comparison was also made of the antibacterial activities of 24-h V-O CEM, bioactive glass ceramic and hydroxyapatite against cultures of S. aureus, Pseudomonas and E. coli. The inhibitory effect of hydroxyapatite on the growth of S. aureus was found to persist beyond the 48-h incubation period. There was slight growth of E. coli in the presence of bioactive glass ceramic after 48 h, whereas hydroxyapatite produced inhibition of microbial growth. V-O CEM inhibited the growth of Pseudomonas, unlike bioactive glass ceramic and hydroxyapatite, which transiently promoted bacterial growth.

Discussion and conclusions: Our findings showed that V-O CEM, bioactive glass ceramic and hydroxyapatite exhibited material- dependent bacterial colonization and thus resembled polymeric bone substitutes (susceptible to invasion by S. epidermidis) and metals (sensitive to S. aureus). In general, users of bone substitutes should conduct preclinical tests in order to obtain advance information on the properties of possible replacement material. Since there can be varying interactions between the materials studied and bacterial growth, material-specific effects on bacterial growth should be investigated. While it is recognized that in vitro studies are an inadequate simulation of the clinical situation, they still provide some insight into the likely behavior of a bone substitutes in human sites.