Doctoral Thesis
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Bei der Fokussanierung einer abdominellen Sepsis kommt meist eine Peritoneallavage mit physiologischer Kochsalzlösung zum Einsatz. Antibiotikahaltige Lösungen scheinen keinen Vorteil zu haben und der Zusatz von Antiseptika wie z. B. PHMB hat teils toxische Wirkungen. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass die Kombination aus PHMB und Lipofundin® gegenüber PHMB in wässriger Lösung eine geringere Zytotoxizität bei erhaltener antiseptischer Aktivität in-vitro besitzt.
Um die Hypothese zu bestätigen, dass eine Peritoneallavage mit dieser Emulsion einen Vorteil für das Überleben der abdominellen Sepsis bietet, wurde eine Überlebenskinetik am Sepsismodell CASPI durchgeführt. In weiteren Experimenten wurde die bakterielle Besiedlung 24 h nach Sepsisinduktion in Blut, Lavage und Organen ermittelt. Des Weiteren erfolgten die Bestimmung der Zytokinspiegel, die Erstellung eines Blutbildes sowie die laborchemische Bestimmung des Serumkreatinins.
Die höchste Überlebensrate mit signifikantem Unterschied zu allen Vergleichsgruppen zeigte sich in der PHMB + Lipofundin®-Gruppe mit 68,4 %, gefolgt von der mit NaCl lavagierten Gruppe mit 38,1 %. Die hohe Überlebensrate in der erstgenannten Gruppe korrelierte mit der niedrigsten bakteriellen Belastung in allen untersuchten Kompartimenten. PHMB in wässriger Lösung führte zu einer signifikant erhöhten Sterblichkeit mit einer Überlebensrate von nur 5,3 %. Im Gegensatz zu allen anderen Gruppen bestanden signifikant erhöhte Kreatininspiegel, die auf ein akutes Nierenversagen hindeuteten.
Die Kombination von PHMB und Lipofundin® könnte in Zukunft eine neue Therapieoption zur Behandlung der abdominellen Sepsis darstellen. Bis dato sind die Mechanismen in vivo, die den diametralen Unterschied im Überleben zwischen PHMB in Emulsion und in wässriger Lösung ausmachen, nicht geklärt. Auch In-vivo-Studien zur Toxizität stehen aus.
Ziel dieser Arbeit war der Nachweis der antimikrobielle Wirksamkeit von oberflächlich, durch einfache chemische Verfahren immobilisiertem PHMB auf Ti6Al4V-Oberflächen gegenüber Gram-positiven und Gram-negativen Erregern mit Standardmethoden und methodischen Varianten.
Die Immobilisierung von PHMB auf Ti6Al4V-Oberflächen erfolgte entweder oxidativ durch die Behandlung der Prüfkörper mit 5 % H2O2 oder über eine alkalische Hydrolyse in 5 M NaOH-Lösung. Als Prüfmikroorganismen dienten die Gram-positiven Schleimbildner S. aureus (ATCC 29213/DSM 2569) und S. epidermidis (ATCC 35984/DSM 28319), als Gram-negativer Vertreter P. aeruginosa (ATCC 27853/DSM 1117). Die Biofilmbildungsintensitäten der eingesetzten Erreger wurden nach Anwendung der Kristallviolett-Färbemethode (Fletcher 1977) quantifiziert. Die Ermittlung der antimikrobiellen Wirksamkeit von PHMB-beschichteten Prüfkörpern erfolgte durch quantitative bzw. qualitative Methoden. Dafür wurden zwei Strategien verfolgt: (1) Herstellung des unmittelbaren Kontakts zwischen Mikroorganismen und antimikrobieller Oberfläche durch Verringerung des Flüssigkeitsvolumens des Kulturmediums mittels Vakuum- oder Wärmebehandlung; und (2) Untersuchung des Adhärenzverhaltens der Mikroorganismen nach 15 min und/oder 6 h Kontakt mit der PHMB-Beschichtung der Ti6Al4V-Prüfkörper. Die Etablierung eines ATP-Tests zur quantitativen Bestimmung der Bakterien war ebenfalls Bestandteil der Untersuchungen zur antimikrobiellen Wirksamkeit. Qualitativ erfolgte die Auswertung mit Hilfe von LIVE/DEAD-Färbungen und des CASO-Agar-Overlay-Tests. Die Validierung der effektiven mikrobioziden Wirksamkeit gegenüber S. epidermidis erfolgte in Co-Kultur-Versuchen mit den Osteoblasten-ähnlichen SaOs-2-Zellen.
Während die Kultivierung von S. aureus und P. aeruginosa im verwendeten Zellkulturmedium DMEM/F12 möglich war, tolerierte S. epidermidis das Medium nicht. Die Entwicklung eines Co-Kulturmediums, bestehend aus 10 % CASO-Bouillon und 90 % Zellkulturmedium, ermöglichte sowohl das Wachstum der Bakterienspecies als auch das der SaOs-2 Zellen, was eine wichtige Voraussetzung für weiterführende Co-Kulturen war. Die Produktion eines Biofilms konnte bei allen Erregern mittels Kristallviolett-Färbung nachgewiesen werden. Nach Herstellung des direkten Kontaktes zwischen den Prüfmikroorganismen und der antimikrobiellen Oberfläche durch Reduzierung des Flüssigkeitsvolumens der applizierten Bakteriensuspensionen, resultierten Reduktionsraten von 3 – 5 log10 für S. aureus und S. epidermidis. Der Gram-negative Erreger P. aeruginosa ist hingegen mit nur 0,5 – 1,5 log10-Stufen Reduktion für diese Methoden als ungeeignet einzustufen ist, da ein Absterben des Erregers aufgrund von Austrocknung nicht auszuschließen war. Die Adhärenz der eingesetzten Mikroorganismen nach 15 min Kontaktzeit und anschließender Inkubation bei 37 °C für 6 h, resultierte in Reduktionsraten von 4 – 5 log10 für S. aureus, 1 – 5 log10 für P. aeruginosa und 3 – 4 log10 für S. epidermidis. Mit PHMB beschichtete Ti6Al4V-Prüfkörper, die in einer Bakteriensuspension für 6 h unter dynamischen Bedingungen inkubiert wurden, zeigten nur Reduktionsraten von ca. 1 – 3 log10-Stufen gegenüber den Testbakterien. Nach 15 min Kontaktzeit auf einer kontaminierte Agar-Oberfläche und weiteren 6 h Inkubation bei 37 °C, konnten auf antimikrobiellen PHMB-Oberflächen Reduktionen von 1 – 2 log10-Stufen ermittelt werden. In angewandten Co-Kulturtests mit S. epidermidis und SaOs-2 Zellen konnte die antimikrobielle Wirksamkeit der PHMB-beschichteten Oberfläche bestätigt werden.
Die antimikrobiell wirksame PHMB-Schicht auf den eingesetzten Ti6Al4V-Prüfkörpern benötigt zur Abtötung von Erregern den direkten Kontakt zwischen der Oberfläche und den Prüfmikroorganismen, um wirksam zu sein. Zudem konnte ermittelt werden, dass PHMB ausschließlich auf der Oberseite der Prüfkörper immobilisiert werden konnte, was die Mikrobiozidie-Testung mit herkömmlichen Methoden erschwert.
Es konnte bestätigt werden, dass oberflächlich immobilisiertes PHMB auf Ti6Al4V-Prüfkörpern sowohl Gram-positive als auch Gram-negative Bakterien bei direktem Kontakt abtötet. Als am besten geeignet für die Testung dieser Oberfläche erwies sich die 6 h-Adhärenz-Methode, bei der nach 6 h oberflächlichem Kontakt quantitativ und qualitativ keine überlebenden Mikroorganismen nachgewiesen werden konnten.