Knochentransplantate werden zur Rekonstruktion von Knochendefekten als Folge von Komplikationen bei Endoprothesen, Knochentumoren oder Traumata verwendet. Gefriergetrockneter Knochen und „fresh frozen bone allografts“, die als Träger von Antibiotika verwendet werden, können eine wirksame Antibiotikakonzentration lokal erreichen und so bakterielles Wachstum und die Bildung von Biofilmen verhindern.

Knocheninfektionen

Implantatassoziierte Infektionen oder Infektionen auf nekrotischem Knochenmaterial sind schwerwiegende Komplikationen für den Patienten und stellen ebenso eine hohe finanzielle Belastung für das Gesundheitssystem dar. Bakterien, die sich an Oberflächen anhaften können, verhindern eine effiziente Infektionsbekämpfung durch den Wirtsorganismus, indem sie Biofilme bilden und sich darin verstecken (Abb. 1). Sobald eine Infektion vorliegt und die Oberfläche von Implantaten oder Transplantaten besiedelt ist, wird die Entfernung des Implantats oder Transplantats notwendig, um eine Infektionsheilung erzielen zu können [1, 2]. Biofilmassoziierte Infektionen sind resistent gegen eine antibiotische Therapie – auch gegen hohe Antibiotikadosen [3]. Lediglich sehr früh diagnostizierte Infektionen können in einigen Fällen erfolgreich mit einer systemischen Antibiose therapiert werden [1, 2].

Abb. 1
figure 1

Staphylococcus-aureus-Biofilme

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Das chirurgische Debridement, die Entfernung des gesamten infizierten Gewebes ist essenziell für eine erfolgreiche Therapie und gute Langzeitergebnisse [1]. Eine frühe effiziente Diagnose der Infektion und eine rasche aggressive antibiotische Therapie mit chirurgischer Sanierung und Austausch oder Entfernung von Fremdmaterial haben eine hohe Erfolgsquote [4].

Knochentransplantate als Antibiotikaträger

Knochentransplantate werden zur Rekonstruktion von Knochendefekten als Folge von Komplikationen bei der Implantation von Endoprothesen, Knochentumoren oder Traumata verwendet [5, 6]. Es können autologe Knochenspenden verwendet werden – allerdings werden von den Patienten die Beschwerden im Bereich der Entnahmestellen sehr negativ bewertet. Dies kann durch die Verwendung homologer Knochentransplantate verhindert werden [7,8,9]. Knochenspenden werden in größerer Zahl von Totspendern entnommen und entsprechend behandelt. Alternativ besteht die Möglichkeit der Lebendspende, vor allem von Hüftköpfen im Rahmen der Hüftendoprothetik. Entnahmen von hirntoten Spendern sind möglich, spielen aber aufgrund der Verfügbarkeit der anderen Quellen nur eine untergeordnete Rolle. Eine häufige Verwendungsform ist die von Knochenchips. Hier werden vor allem Hüftköpfe in Knochenmühlen zu 8 mm großen Chips verarbeitet. Diese Chips eignen sich hervorragend zum Auffüllen von Knochendefekten bei Knochentumoren oder in der Revisionsendoprothetik. In der orthopädischen Literatur ist die Technik des „impaction bone grafting“ gut etabliert, einerseits um in einem Kompositeverfahren mit Metall und Knochenzement eine ausreichende primäre Stabilität zu erreichen und andererseits, um das Knochenwachstum und den Knochenumbau anzuregen.

Die lokale Abgabe von Antibiotika durch antibiotikumbeladenen Knochenzement ist seit den 1970er-Jahren in der Orthopädie etabliert [10]. Auch über die Vermischung von Knochenchips mit Antibiotika wurde in verschiedenen Studien berichtet [11, 12]. Wie oben schon erwähnt, ist die Augmentation mit Knochenchips im Rahmen der Revisionsendoprothetik gut belegt [13,14,15]. Ergebnisse mit verdichteten Knochenchips, dem „impaction bone grafting“, haben gezeigt, dass durch die Zugabe von Antibiotika zu den Knochenchips eine hohe lokale Antibiotikakonzentration erzielt wird, die mit rein systemischer Antibiose nicht erreicht werden kann [13, 16, 17]. Endoprothesenrevisionen mit Knochentransplantationen haben das Potenzial, eine Knochenneubildung beim Patienten zu induzieren und damit langfristig den Knochenbestand des Patienten zu erhöhen. Dies kann bei weiteren Revisionen von Vorteil sein. Insofern ist die Beladung solcher Knochentransplantate mit Antibiotika sinnvoll. Dies kann zu einem lokal erhöhten Antibiotikaspiegel in den ersten 24 h führen, der zum Teil noch höher ist als der von PMMA-Zement. In zwei Arbeiten konnte bereits gezeigt werden, dass eine gute Rekonstruktion und eine niedrige Infektionsrate nach Hüftprothesenrevisionen unter Verwendung von Vancomycin-beladenen Knochenchips erzielbar waren (Abb. 2). Ebenso ist in In-vitro-Studien belegt, dass Knochen als Träger von Antibiotika dient und Antibiotika auch adäquat abgeben werden (Abb. 3a, b; [13, 18,19,20,21]).

Abb. 2
figure 2

Beispiele für „fresh frozen bone grafts“, vermischt mit Antibiotikum und Knochenersatzmaterial: a Knochenchips vermischt mit Herafill® (Heraeus Medical GmbH, Wehrheim, Deutschland) (1–3 mm). Aus Coraca-Huber et al. [18]. b Knochenchips vermischt mit GS; c Knochenchips vermischt mit Herafill®-Mix (1–3 und 3–5 mm) zusätzlich GS und GP. Aus Coraca-Huber et al. [18]

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Abb. 3
figure 3

Empfindlichkeitstests (Hemmhof-Test) von Gentamicinsulfat (GS) und Gentamicinsulfat mit Gentamicinpalmitat (GS + GP 1:1) a S. epidermidis und b S. aureus

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Antibiotikaabgabe und Wirksamkeit

Wir haben gefriergetrocknete Knochenchips [22] von zwei unterschiedlichen Herstellern untersucht (Cells and Tissuebank Austria [C-TBA], Krems an der Donau sowie Telos GmbH, Marburg, Deutschland und Tissue Bank Charité – Medizinische Universität Berlin, Berlin, Deutschland [BChT]). Die Knochenchips wurden mit verschiedenen Antibiotika und Knochenersatzmaterialien vermischt [22]. Die Vermischung der Knochenallografts mit Antibiotikasalzen wurde manuell durchgeführt, so wie dies auch im Rahmen einer Operation durchgeführt werden kann. Als Kontrolle wurden Antibiotika in Pulverform, gelöst in einer Kochsalzlösung, zur Imprägnierung der Knochenchips verwendet. Polymethylmethacrylatkügelchen, die mit Gentamicinsulfat imprägniert waren (Heraeus PMMA Chain G30, Heraeus Medical GmbH, Wehrheim, Deutschland) sowie Kalziumkarbonat/Kalziumsulfat-Knochenersatzkügelchen, die mit Gentamicin imprägniert waren (Herafill® beads G®, Heraeus Medical GmbH) wurden als Referenzmaterial verwendet. Weiterhin wurde FF-BChT (Telos GmbH und Tissue Bank Charité) ebenfalls als Referenzmaterial verwendet. Zur Herstellung der FF-BChT-Knochenproben wurde nur eine thermische Behandlung des Gewebes ohne weitere Prozessierung durchgeführt. Nach der Imprägnierung wurden die Abgabekonzentrationen bestimmt. Hierbei wurde ein konventioneller mikrobiologischer Agardiffussionsassay mit Bacillus subtilis als Indikatorstrang verwendet [20, 23]. Zur Messung der bakteriellen Empfindlichkeit wurden die Substanzen gegen S. aureus und Methicillin-resistenten S. aureus getestet.

In Abb. 4 sind die kumulativen Werte aller Zeitintervalle dargestellt, um die Mischungen mit besseren antibakteriellen Eigenschaften zu zeigen. Innerhalb der Gruppe mit Referenzproben gegen S. aureus wurde das beste Ergebnis mit PMMA-Kügelchen und allen FF-BChT+GS+GP beobachtet. Auch BChT+GS zeigten eine hohe Wirksamkeit. Diese Mischungen zeigten einen signifikant höheren Wert (p < 0,05) im Vergleich zu anderen Mischungen. BChT+V und Herafill®-Kügelchen zeigten eine geringere antibakterielle Aktivität und wiesen dadurch keinen signifikanten Unterschied zwischen diesen beiden Gruppen auf (Abb. 4a). Vergleichbare Ergebnisse konnten bei den Tests gegen MRSA gezeigt werden (Abb. 4b).

Abb. 4
figure 4

Kumulative Ergebnisse der Antibiotikaabgabe a S. aureus ATCC 29213 und b MRSA DSM 46320. Referenzgruppen: Gefriergetrocknete Knochenchips mit Gentamicinsulfat durch Immersion (1 mg/ml; BChT+GS); gefriergetrocknete Knochenchips imprägniert mit Vancomycinsulfat durch Immersion (1 mg/ml; BChT+V) Polymethylmethacrylatkügelchen imprägniert mit Gentamicinsulfat (PMMA-Kügelchen); Kalziumkarbonat/Kalziumsulfat-Knochenersatzkügelchen imprägniert mit Gentamicinsulfat (Herafill®-Kügelchen); frisch gefrorene Knochenchips gemischt mit Gentamicinsulfat und Gentamicinpalmitat 1,6 % der Gentamicinbasis (FF-BChT+GS+GP 1,6 %); frisch gefrorene Knochenchips gemischt mit Gentamicinsulfat und Gentamicinpalmitat 3,2 % der Gentamicinbasis (FF-BChT+GS+GP 3,2 %); frisch gefrorene Knochenchips gemischt mit Gentamicinsulfat und Gentamicinpalmitat 6,4 % der Gentamicinbasis (FF+BChT+GS+GP 6,4 %)

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Unter Berücksichtigung der Abgabe von Antibiotika aus BChT und PMMA und Herafill®-Kügelchen konnten wir beobachten, dass die BChT+GS und PMMA-Kügelchen eine signifikant höhere Abgaberate zeigten als BCh+V und Herafill®-Kügelchen. PMMA-Kügelchen erlauben als einziges Material die Abgabe bis zum 14 Tag. Allerdings wurde eine signifikante Abgabe nur bis zum 5. Tag (p < 0,0001; Abb. 5a) beobachtet. Die Abgaberate von frisch gefrorenen Knochen folgte der Konzentration von GS+GP jeder Gruppe, wobei FF-BChT+GS+GP 6,4 % eine signifikant höhere Konzentration zeigten als FF-BChT+GS+GP 1,6 % und 3,2 %. Die höchste Konzentration wurde bis zum 5. Tag gemessen (p < 0,05; Abb. 5b).

Abb. 5
figure 5

Referenzgruppen: Abgabekonzentration von Antibiotika von Bacillus subtilis. a Gefriergetrocknete Knochenchips mit Gentamicinsulfat imprägniert durch Immersion (1 mg/ml; BChT+GS); gefriergetrocknete Knochenchips mit Vancomycinsulfat imprägniert durch Immersion (1 mg/ml; BChT+V), Polymethylmethacrylatkügelchen mit Gentamicinsulfat imprägniert (PMMA-Kügelchen); Kalziumkarbonate/Kalziumsulfate-Knochenersatzstoffkügelchen mit Gentamicinsulfat (Herafill®-Kügelchen). b Frisch gefrorene Knochenchips gemischt mit Gentamicinsulfat und Gentamicinpalmitat 1,6 % der Gentamicinbasis (FF-BChT+GS+GP 1,6 %); frisch gefrorene Knochenchips gemischt mit Gentamicinsulfat und Gentamicinpalmitat 3,2 % der Gentamicinbasis (FF-BChT+GS+GP 3,2 %); frisch gefrorene Knochenchips gemischt mit Gentamicinsulfat und Gentamicinpalmitat 6,4 % der Gentamicinbasis (FF+BChT+GS+GP 6,4 %)

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Die kumulativen Ergebnisse der Empfindlichkeitstest von S. aureus und MRSA für C‑TBA und BChT gemischt mit GS+GP, HeraG und HeraV zeigten, dass die Aktivität von BChT gemischt mit GS+GP signifikant höher war als die von BChT gemischt mit HeraG und HeraV (p < 0,05; Abb. 6a, b). Diese Ergebnisse zeigten, dass C‑TBA effektiver gegen S. aureus und MRSA war, wenn es mit GS+GP gemischt wurde als in der Mischung mit HeraG und HeraV. Gemischt mit GS+GP gaben C‑TBA-Knochenchips Antibiotika bis zum Letzten der 14 Untersuchungstage ab. Dieser Unterschied kann wohl damit erklärt werden, dass GS+GP reine Antibiotika waren und HeraG und HeraV Kalziumsulfat und Kalziumkarbonat in ihrem Aufbau enthalten (p < 0,05; Abb. 6c, d).

Abb. 6
figure 6

Kumulative Ergebnisse der Antibiotikaabgabe und Tests der Empfindlichkeit von S. aureus ATCC 29213 (a, c) und MRSA DSM 46320 (b, d). Testgruppen: gefriergetrocknete Knochenchips Telos, gemischt mit Gentamicinsulfat und Gentamicinpalmitat (BChT+GS+GP); gefriergetrocknete Knochenchips Telos, gemischt mit Herafill®G (BChT+HeraG); gefriergetrocknete Knochenchips Telos, gemischt mit Herafill®V (BChT+HeraV); gefriergetrocknete Knochenchips C‑TBA, gemischt mit Gentamicinsulfat und Gentamicinpalmitat (C-TBA +GS+GP); gefriergetrocknete Knochenchips C‑TBA, gemischt mit Herafill®G (C-TBA+HeraG); gefriergetrocknete Knochenchips C‑TBA, gemischt mit Herafill®V (C-TBA+HeraV)

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PMMA-Kügelchen erlauben als einziges Material die Antibiotikaabgabe bis zum 14. Tag

Die Abgabe von Gentamicin aus gefriergetrockneten allogenen Knochenchips war in allen Messungen vergleichbar mit der Abgaberate von frisch gefrorenem kryokonserviertem Knochen. Dieses Ergebnis hat unserer Meinung nach mit der vergleichbaren Mikrostruktur und Porosität der Knochenchips zu tun [24]. Die Abgabe von Gentamicin aus gefriergetrockneten allogenen Knochenchips und von frisch gefrorenem thermisch behandeltem Knochen war am 1. und 2. Tag hoch, nahm dann ab und blieb auf einer niedrigen Rate bis zum Ende der 2. Untersuchungswoche (Abb. 7a–c). Die Abgabe von Vancomycin aus gefriergetrockneten allogenen Knochenchips war wirksam gegen S. aureus bis zum 9. Tag und gegen MRSA bis zum 7. Tag. Bessere Ergebnisse wurden bei der Abgabe von Vancomycin beobachtet, wenn gefriergetrockneter Knochen mit Herafill® gemischt wurde. In diesem Fall konnte eine Wirksamkeit der Abgabe gegen S. aureus bis zum 14. Tag (8 % Vancomycinbasis) und gegen MRSA bis zum 13. Tag (8 % Vancomycinbasis) gezeigt werden. PMMA-Kügelchen zeigten eine konstante Abgabe von Gentamicin während der 14 Tage mit einer Spitze in den ersten 2 Tagen, während lyophilisierter Knochen einen konstanten Abfall der Abgabe zeigte. Beide Verfahren zeigten aber eine Inhibition von S. aureus und MRSA auch nach 2 Wochen. Bei Herafill®-Kügelchen konnte ab Tag 9 keine Antibiotikaabgabe beobachtet werden. Herafill® und PMMA zeigten einen höheren Spitzenwert an Tag 2 im Vergleich zu lyophilisierten allogenen Knochen.

Abb. 7
figure 7

a Eine höhere Abgaberate wurde beobachtet für C‑TBA im Vergleich zu BChT für: GS/GP 1,6 % (p < 0,0001), GS/GP 3,2 % (p < 0,0001) und GS/GP 6,4 % (p < 0,0001). b Eine höhere Abgaberate wurde beobachtet für C‑TBA in Vergleich zu BChT für: HeraG 10 % (1,6 %) = p < 0,0001, HeraG 10 % (3,2 %) = p = 0,0004, HeraG10 % (6,4 %) = p = 0,005, HeraG5 % (6,4 %) = ns (keine signifikanten Unterschiede)

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Abb. 7 (Fortsetzung)
figure 8

c Eine höhere Abgaberate wurde beobachtet für C‑TBA im Vergleich zu BChT für: HeraV 10 % (2 %) = p < 0,0001, HeraV 10 % (4 %) = p = 0,0001, HeraV10 % (8 %) = p = 0,002, HeraV5 % (8 %) = ns (keine signifikanteren Unterschiede)

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Abgesehen von den positiven Ergebnissen für PMMA in dieser Studie und der Tatsache, dass PMMA der Goldstandard zur lokalen Abgabe von Antibiotika in der Orthopädie ist, hat der Einsatz von Knochenzement auch Beschränkungen. Diese Einschränkungen beinhalten die zeitlich limitierte Abgabe von Antibiotika, die Inkompatibilität mit einer Reihe von antimikrobiellen Substanzen und die Notwendigkeit, den gesamten Zement bei einer nachfolgenden Revision zu entfernen, was wiederum einen größeren Knochendefekt verursacht [25]. Herafill® auf der anderen Seite kann als Zumischung beim impaction bone grafting verwendet werden. Das Gemisch garantiert sowohl eine ausreichende mechanische Stabilität während der Implantation als auch die Fähigkeit, Antibiotika zu transportieren. Es wurde gezeigt, dass Knochenchips gemischt mit Herafill® die Fähigkeit haben, als Träger für Antibiotika verwendet zu werden. Die Kombination von Herafill® in verschiedenen Korngrößen mit 2 Gentamicinsalzen (GS+GP) zeigte eine vergleichbare Wirksamkeit gegen S. aureus und S. epidermidis (Abb. 2; [18]).

Schlussfolgerung

Polymethylmethacrylatkügelchen zeigen mit zeitlicher Verzögerung eine bessere Aktivität gegen S. aureus und MRSA DSM 46320 im Vergleich zu Herafill®-Kügelchen und mit Gentamicin und Vancomycin beschichteten Knochenchips von Telos. Nativer kryokonservierter thermisch behandelter Knochen, überzogen mit Gentamicinsulfat und Gentamicinpalmitat, zeigte eine gute inhibitorische Aktivität gegen S. aureus und MRSA DSM 46320 in allen Konzentrationstests. Knochenchips von Telos und C‑TBA zeigten eine bessere inhibitorische Aktivität gegen die getesteten Bakterienlinien, wenn sie mit GS+GP beschichtet waren, als die mit HeraG und HeraV beschichteten. PMMA-Kügelchen gaben eine höhere Konzentration von Antibiotika über einen längeren Zeitraum ab – sowohl im Vergleich zu BChT+GS und BChT+V als auch im Vergleich zu Herafill®-Kügelchen. Nativer kryokonservierter Knochen, beschichtet mit GS+GP, zeigte eine vergleichbare Abgaberate in allen getesteten Konzentrationen. In beinahe allen Testgruppen zeigte C‑TBA eine höhere Antibiotikaabgaberate als BChT. Bis zum Ende des 14-tägigen Beobachtungszeitraums konnte eine Abgabe nur von mit GS+GP beschichteten Proben beobachtet werden. Die Abb. 4a zeigt, dass BChT+GS am ersten Tag eine höhere Freisetzung als PMMA und Herafill® aufweist, und somit eine mögliche Kombination verschiedener Trägersubstanzen mit sofortiger Freisetzung aus spongiösen Körpern sowie eine prolongierte Freisetzung des Antibiotikums aus anderen Trägern eine Alternative für die Gewährleistung einer initial hohen und auch prolongierten antibiotischen Wirkung darstellt.

Fazit für die Praxis

  • PMMA ist der Goldstandard zur lokalen Antibiotikaapplikation.

  • Wenn ein zweizeitiges Vorgehen geplant ist und das benötigte Antibiotikum nach Antibiogramm mit PMMA vermischt werden kann, so ist dies eine sinnvolle Strategie.

  • Ist ein einzeitiges Vorgehen geplant und PMMA indiziert sowie mit dem benötigten Antibiotikum mischbar, so sollte dieser zum Einsatz kommen.

  • Sind PMMA und die benötigte antibakterielle Substanz nicht kompatibel, so ist die Beschichtung von Knochenchips evtl. in einer Mischung mit Knochenersatzstoffen mit Antibiotikum eine sinnvolle Alternative.

  • Ist aus anderen Gründen – etwa bei der Defektauffüllung bei Knochentumoren – eine PMMA-Versorgung nicht erwünscht, so ist eine lokale antibiotische Prophylaxe ebenfalls mit beschichteten Knochenchips möglich.

  • Eine prophylaktische lokale Antibiose in Fällen ohne bestehenden Infekt bei der Verwendung von Knochenchips ist ebenfalls durch Beschichtung mit Antibiotikum möglich.