Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Franziska Foth

Grundlegende Untersuchungen zum Implant-Directed-Magnetic-Drug-Targeting und zu seinem möglichen, zukünftigen Einsatz bei der Behandlung von Implantat-assoziierten-Infektionen in der orthopädischen Chirurgie

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95- 105486

title (engl.)

Fundamental studies of Implant-Directed-Magnetic-Drug-Targeting and of its potential future usage in the treatment of implant related infections in orthopedic surgery 

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2014

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/fothf_ws14.pdf

abstract (deutsch)

Sowohl in der Human- als auch in der Tiermedizin spielen Implantat-assoziierte-Infektionen heute eine zunehmend bedeutsame Rolle. Infizierte Gelenksendoprothesen oder Frakturbehandlungssysteme stellen für die behandelnden Ärzte eine große Herausforderung dar. Das Hauptproblem liegt hierbei in der Erreichbarkeit adäquater Antibiotikakonzentrationen im infizierten Gewebe nahe bzw. direkt am Implantat. In vielen Fällen kommt es zu Revisionsoperationen. Mit Hilfe des Implant-Directed-Magnetic-Drug-Targeting könnte eine gezieltere und effektivere Medikamentenwirkung am Infektionsort realisiert werden. Zugleich würde so häufigem prophylaktischen Einsatz von Antibiotika entgegengewirkt. Eine wirkungsvollere Behandlung nur im Bedarfsfall wäre so möglich. Bei diesem Ansatz werden dem Patienten an magnetische Nanopartikel gekoppelte Antibiotika intravenös injiziert und durch ein am gewünschten Zielgebiet appliziertes externes Magnetfeld akkumuliert. Zur Potenzierung des Effekts sollte das beim Patienten eingesetzte Implantat selbst magnetisierbar sein und so das Magnetfeld in der Tiefe des Körpers verstärken. In der hier vorliegenden Studie sollte deshalb ein in vitro-Modell entwickelt werden, um die verschiedenen Einflussfaktoren zu untersuchen.

Zunächst wurden speziell für das zukünftige Anwendungsgebiet nutzbare Silica beschichtete Nanopartikel hergestellt. Zudem wurde für den Versuchsaufbau eine Plexiglashalterung entworfen, die vor allem für die spezielle Anordnung der einzelnen Systemkomponenten wie Stahlplättchen, Schlauchführung und Magnete wichtig war. Mit Hilfe eines Perfusors wurde die Nanopartikellösung durch das Magnetfeld gepumpt. Die Konzentrationen der Nanopartikel wurden anschließend im Auffangbehälter und im Magnetfeld mittels Kolorimetrie bestimmt und ein Quotient errechnet. Es wurden Untersuchungen zum Magnetfeld und zu seiner Veränderung durch Variation von Magnetanzahl (Neodymmagnete) und Distanz (15,35,55,59mm) zwischen ihnen durchgeführt. Zusätzlich wurde evaluiert wie sich die Installation von Stahlplättchen (3,7mm lang, 1,7mm breit, jeweils 3; 2; 1,5; 1mm dick) auf die Stärke der magnetischen Flussdichte auswirkt. Daneben wurden verschiedene Plättchen (martensitischer Stahl, ferritischer Stahl, Armco), unterschiedliche Flussraten (12,72ml/h, 25,44ml/h, 50,88ml/h, 200ml/h) sowie den Schlauch zusätzlich umgebende Gewebearten (Knochen, Muskulatur) getestet. Zur sublimierteren Darstellung der Verhältnisse im Organismus wurden spezielle Spülversuche durchgeführt. Darüber hinaus wurde eine Methode entwickelt, Silica beschichtete Nanopartikel mit Hilfe der Berliner Blau-Reaktion in histologischen Schnitten darzustellen. Schließlich wurde die Analyse von Gewebeschnitten auf Nanopartikel mittels REM und EDX untersucht.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass das gewählte Versuchsmodell und seine Formatierungen zur in vitro-Untersuchung des Implant-Directed-Magnetic-Drug-Targeting mit dem Ziel diese Systeme anzuwenden, geeignet erscheint. So gelang die Akkumulation von magnetischen Nanopartikeln im Durchflussmodell unter verschiedensten Einflussgrößen. Dabei wirkte sich die Installation eines magnetisierbaren martensitischen Stahlplättchens positiv auf die Partikelkonzentration im Schlauch aus. Auch nach Spülung und Entfernung des externen Magnetfeldes. Während unterschiedliche Dicken der Stahlplättchen und den Schlauch umgebende Gewebearten keinen Einfluss auf die Ansammlung von magnetischen Partikeln im Magnetfeld hatten, verstärkte eine geringere Flussrate und eine Distanzverringerung der Magneten zueinander den Effekt des Magnetic-Targeting. Ein Partikelnachweis konnte in histologischen Gewebeschnitten mittels Berliner Blau-Reaktion geführt werden. Daneben ließen sich die Nanopartikel im REM und in der EDX identifizieren.

Zukünftige in vivo-Versuche müssen erst noch zeigen, ob das Implant-Directed-Magnetic-Drug-Targeting entsprechend den Erwartungen zum Einsatz kommen kann.

 

abstract (englisch)

In both human and veterinary medicine, implant related infections play more and more an important role. Infected joint endoprostheses or fracture repairing systems are a big challenge for the attending physicians. The main issue is to reach suitable concentrations of antibiotics inside the infected tissue surrounding the implant and directly at the implants surface. Often revisions are necessary. Implant-Directed-Magnetic-Drug-Targeting could help to realize an aimed and more effective medication impact at the infection site. At the same time, this could counteract frequent prophylactic applications of antibiotics. A more potent treatment could be enabled when required. The introduced system includes the intravenous injection of medication linked nanoparticles to the patient, which will be accumulated at the desired area by an external magnetic field. The inserted implant should be magnetizable to enhance the magnetic field in the depth of the body. In the present study an in vitro-test was developed to investigate different influencing factors.

First, special silica coated nanoparticles were prepared. Besides a plexiglas chamber, manufactured for the experimental set-up, played an important role for the arrangement of components like neodymium magnets, steel platelets and the tube system. An infusion pump passed the nanoparticle solution through the magnetic field. The concentrations of the solutions were measured colorimetrically and a quotient was computed. The magnetic field and its alteration by different amounts of magnets and different distances between them (15, 35, 55, 59mm) were examined. Additional the influence of different platelets (3,7mm x 1,7mm, each 3; 2; 1,5; 1mm) on the magnetic flux density was investigated. Different platelets (martensitic steel, ferritic steel, Armco), different flow velocities (0,5; 1; 2; 8mm/s) and different tissues (bone, muscle) surrounding the tube were studied too. Special flushing experiments were performed to simulate even more the in vivo situation. Furthermore a method was developed to detect silica coated nanoparticles in histological sections via prussian blue staining. Finally the detection of nanoparticles in tissue sections via SEM and X-ray spectroscopy was investigated.

The results of this study showed, that the chosen experimental model and its formattings seem to be appropriate for the implementation of in vitro-investigations of Implant-Directed-Magnetic-Drug-Targeting, aiming its administration. The accumulation of magnetic nanoparticles in a flow model was feasible under different circumstances. The installation of a martensitic steel platelet had a positive effect on the particle concentration in the tube, even after flushing and removing of the external magnetic field. While different thicknesses of the platelets and different tissues had no influence on the accumulation of magnetic particles in the magnetic field, lower flow velocities and distance reduction between the magnets enhanced the effect of magnetic targeting. The evidence of the presence of particles in histological tissue sections was provided by prussian blue staining. Besides nanoparticles could be identified in SEM and X-ray spectroscopy.

Future in vivo-tests have to sort out if, according the expectations, Implant-Directed-Magnetic-Drug-Targeting will called into action.

 

keywords

Nanopartikel, Implantate, Orthopädie/ Nanoparticles, Implants, Orthopedics 

kb

2.599