Fortschritte bei antibiotikabeladenem Knochenzement in der Gelenkarthroplastik

Die periprothetische Gelenkinfektion (PJI) bleibt eine schwerwiegende Komplikation nach totaler Gelenkarthroplastik. Knochenzement auf Basis von Polymethylmethacrylat (PMMA) wird seit den 1960er Jahren zur Prothesenfixierung eingesetzt. Aufgrund der fehlenden antimikrobiellen Aktivität wurde 1970 antibiotikabeladener Knochenzement (ALBC) eingeführt. Trotz jahrzehntelanger Anwendung erfordern neue Herausforderungen wie Antibiotikaresistenzen, Hochrisikopatienten und evolvierende Erreger Weiterentwicklungen der ALBC-Technologie. Dieser Artikel fasst aktuelle Forschung zu ALBC zusammen, mit Fokus auf antimikrobielle Wirksamkeit, Elutionskinetik, mechanische Eigenschaften, neuartige Additive und klinische Anwendungen.

Antimikrobielle Eigenschaften von ALBC

Antistaphylokokken-Wirkstoffe
Staphylococcus-Spezies, insbesondere S. epidermidis (35 %) und S. aureus (21 %), dominieren PJI-Fälle. Gentamicin, ein traditionelles ALBC-Antibiotikum, zeigt Resistenz bei 66 % der Staphylococcus-Isolate. Kombinationstherapien sind vielversprechend:

Daptomycin + Gentamicin: Reduziert die minimale Biofilmeradikationskonzentration (MBEC) gegen grampositive Bakterien; 40 g PMMA mit 1,5 g Daptomycin und 0,5 g Gentamicin erwiesen sich als optimal.
Vancomycin: Wirksam gegen Methicillin-resistenten S. aureus (MRSA) über vier Wochen in vitro.
Ceftarolin: Bei 3 Gew.-% (1,2 g/40 g Zement) Elution oberhalb der MHK von MRSA für sechs Wochen.
Teicoplanin erzielte eine 96 %ige Eradikationsrate bei Staphylococcus-PJIs, während Rifampicin-Kombinationen die Biofilmaktivität von Gentamicin verbesserten.

Antifungale Wirkstoffe
Pilzinfektionen (0,9 % von 3.525 Fällen) weisen hohe Rezidivraten (24–62 %) auf. Liposomales Amphotericin B oder Amphotericin mit Trägern wie Natriumdeoxycholat steigern die Elution ohne mechanische Stabilität zu beeinträchtigen. Econazol und Fluconazol hemmen Candida spp., reduzieren jedoch die Zementfestigkeit unter belastungsfähige Schwellenwerte.

Antibiotika-Elutionskinetik

Die Elution erfolgt biphasisch: initialer „Burst-Release“ oberflächennaher Antibiotika und kontinuierliche Freisetzung aus tieferen Partikeln. Schlüsselfaktoren sind:

Antibiotikaeigenschaften: Hydrophile Antibiotika (Vancomycin, Daptomycin) werden schneller freigesetzt als hydrophobe. Synergistische Kombinationen (Vancomycin + Tobramycin) erhöhen die kumulative Elution um 38 %.
Dosierung: Höhere Dosen (z. B. 4 g Vancomycin/40 g PMMA) steigern die Elution, riskieren aber mechanische Schwächung.
Mischmethoden: Handgemischter ALBC gibt 23–30 % mehr Vancomycin frei als kommerzielle Vorabmischungen aufgrund höherer Porosität. Vakuummischen verlängert die Gentamicin-Freisetzung um 30 % über sieben Tage.
Polymerisationstemperatur: Exotherme Reaktionen (70–120 °C) degradieren hitzeempfindliche Antibiotika (β-Lactame). Ceftazidim behält jedoch 90 % der Bioaktivität nach Aushärtung.
Sonikation: Niederfrequenter Ultraschall (40 kHz, 5–30 min) erhöht die Elution durch Porenöffnung.

Mechanische Leistungsfähigkeit

Die mechanische Integrität von ALBC hängt von Polymerisation und Antibiotika-Interaktion ab:

Antibiotikatyp: Gentamicin reduziert die Druckfestigkeit auf 65 MPa (vs. 92 MPa bei reinem PMMA). Rifampicin stört die Polymerisation via Hydrochinon und senkt die Festigkeit um 40 %.
Dosierung: 1 g Vancomycin mindert die Biegefestigkeit um 15 %; 4 g führen zu 30 % Verlust. Mehrfachbeladener ALBC (z. B. Gentamicin + Clindamycin) verstärkt strukturelle Ermüdung.
Physikalischer Zustand: Flüssiges Gentamicin (240 mg) reduziert die Schlagfestigkeit unter Belastungsgrenzen, im Gegensatz zu Pulverformulierungen.

Modifikationsadditive für ALBC

Porogene
Hohle Titandioxid-Nanoröhren (TiO₂) erhöhen die Porosität, verbessern die Gentamicin-Freisetzung bei >70 MPa Druckfestigkeit. Carboxymethylcellulose steigert Econazol-Elution, beeinträchtigt jedoch mechanische Stabilität.

Sustained-Release-Systeme

PLGA-Mikrosphären: Verlängern Daptomycin-Freisetzung über 60 Tage via Biodegradation.
Silica-Nanopartikel: Erhöhen Vancomycin-Elution um 50 % ohne Änderung des Elastizitätsmoduls.
Calciumpolyphosphat: Imitiert Knochenstruktur, verlängert Ceftazidim-Freisetzung bei 85 MPa Druckfestigkeit.

Anorganische Antimikrobielle Mittel

Silbernanopartikel: Bei 1 Gew.-% Reduktion von S. epidermidis-Biofilmen um 99 %, jedoch geringe Gewebepenetration.
Kupferdotiertes Glas: Cu²⁺-Ionen wirksam gegen MRSA, keine Zytotoxizität bei <5 Gew.-%.

Organische Antimikrobielle Mittel

Quaternäre Ammonium-Dendrimere: 10 Gew.-% inhibieren grampositive Bakterien für 30 Tage.
Antimikrobielle Peptide: Kurze α-helikale Peptide reduzieren Biofilmbildung in Osteomyelitis-Modellen um 80 %.

Klinische Anwendungen

Multiresistenter ALBC

Vancomycin + Ceftazidim: Erreichte in 8 PJI-Fällen Infektionskontrolle bei 75 %, mit Serumspiegeln >MHK über sechs Wochen.
Gentamicin + Clindamycin: Keine Reinfektionen bei 32 Hochrisikopatienten über fünf Jahre.

ALBC-Spacer
Spacer sind in zweizeitigen Revisionsverfahren entscheidend, bergen aber mechanische Risiken (45 % Luxation/Fraktur). Innovationen umfassen:

Verstärkte Spacer: Edelstahlintramedullärstäbe senken Versagensraten auf 6,7 % im Interim.
Individuelle Schablonen: Dentalsilikonschablonen ermöglichen anatomisch präzise Spacer mit 77 % Erfolg in der Erstphase.

Partielle Revision
Erhalt fest verankerter Komponenten mit ALBC-Spacern reduziert Trauma:

Einzeitige Revision: 92,3 % vs. 94,9 % Infektionskontrolle bei zweizeitiger Revision, ideal für ältere Patienten.
Hüftspacer: ENDO-Technik mit Dual-Mobility-Pfannen verbessert Harris-Hip-Scores von 34 auf 48 post-Interim.

Systemische Aspekte

Antibiotika-Synergie: ALBC muss systemische Therapie ergänzen, da lokale Elution allein tiefe Infektionen nicht eradiziert.
Toxizität: Serum-Vancomycin-Spiegel korrelieren mit Nierenfunktionsstörungen (27 % RIFLE-Kriterien), erfordern Dosisanpassung bei Niereninsuffizienz.

Zukünftige Richtungen

Neue Strategien umfassen personalisierte Freisetzungssysteme (Calciumphosphat-PMMA-Kerne), immunmodulatorische Studien (erhöhte IL-6/CRP unter Gentamicin) und Antimykotika-Entwicklungen. Die Balance zwischen mechanischer Stabilität und Antibiotikawirkung sowie optimierte Multikombinationen bleiben prioritär.

DOI: 10.1097/CM9.0000000000001093