Dissertation

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

Daniela Hesse

Untersuchung zur Wirksamkeit von Ciprofloxacin-beschichteten Gehörknöchelchenprothesen im infizierten Mittelohr von Kaninchen

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-103925

title (engl.)

Investigation of the effectiveness of ciprofloxacin-coated ossicular prostheses in the infected middle ear of rabbits

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/hessed_ws13.pdf

abstract (deutsch)

Durch eine chronische Mittelohrentzündung kommt es häufig zum Funktionsverlust oder sogar zu einer Zerstörung der Gehörknöchelchenkette. Es gibt heutzutage eine Reihe von alloplastischen Materialien, um die Gehörknöchelchen zu rekonstruieren, wobei die Anforderungen in Bezug auf die Materialstabilität und Biokompatibilität sehr hoch sind. Oftmals ist es nicht möglich, das Prothesenmaterial in eine keimfreie Umgebung zu implantieren und es kann zu infektions-assoziierten Komplikationen bis hin zur Prothesenextrusion kommen. Ziel dieser Studie war es, mittels eines Infektionsmodells im Kaninchen eine Otitis media mit dem human-pathogenen Keim Ps. aeruginosa experimentell zu erzeugen und mit zwei unterschiedlichen Ciprofloxacin-beschichteten Mittelohrprothesen als „drug delivery system“ wieder zu beseitigen, um deren antibakterielle Wirksamkeit zu testen und somit einer Keimbesiedlung der Implantate vorzubeugen. Als Basismaterial für die Prothesen wurde die Glaskeramik Bioverit®II verwendet, welche bereits erfolgreich in der rekonstruktiven Mittelohrchirurgie eingesetzt wird.

In der ersten Versuchsreihe wurden zwei verschiedene nanoporöse Siliziumdioxid-Beschichtungen verwendet. Das eingelagerte Antibiotikum wurde hierbei entweder im „burst release“- oder „slow release“- Modus freigesetzt. Nach drei Monaten wurden die Kaninchen euthanasiert und seziert und es folgten mikrobiologische und histopathologische Untersuchungen von verschiedenen Organen. Die Ergebnisse zeigten, dass eine schnelle Freisetzung des Antibiotikums in den ersten Stunden aus den „burst release“-Prothesen in einem signifikant besseren Gesundheitszustand der Kaninchen resultierte. In der „slow release“-Gruppe mussten sieben von 12 Tieren frühzeitig euthanasiert werden, verglichen mit nur zwei Tieren in der „burst release“-Gruppe(P < 0,05).  Zudem konnte Ps. aeruginosa bei fünf Kaninchen aus der „slow release“-Gruppe in der Tupferprobe des Gehirnes nachgewiesen werden, was auf eine aszendierende Infektion hinweist.

Im zweiten Tierversuch wurde eine LDH-Beschichtung (LDH = layered double hydroxide) als „drug delivery system“ für das Ciprofloxacin eingesetzt. Die beiden hier verwendeten Versuchsgruppen wurden zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit Ps. aeruginosa experimentell infiziert. Gruppe 1 wurde der Keim während der Operation in das Mittelohr injiziert. Gruppe 2 wurde erst eine Woche nach der Implantation nachträglich durch das Trommelfell infiziert, um eine rezidivierende Infektion zu imitieren und eine Einschätzung über die Dauer der antibakteriellen Wirkung der Prothesen zu bekommen. Nach drei Wochen waren keine signifikanten Unterschiede im allgemeinen Gesundheitszustand zwischen beiden Gruppen zu erkennen, jedoch konnten eindeutige Abweichungen bei der bakteriologischen Untersuchung der Mittelohr- und Implantatspülungen nachgewiesen werden. Bei zwei Kaninchen aus Gruppe 1 und fünf aus Gruppe 2 erfolgte ein positiver Nachweis von Ps. aeruginosa. Die quantitative Untersuchung der Implantatspülungen ergab zudem eine statistisch signifikant höhere Konzentration von Bakterien in Gruppe 2 (P < 0,05). Das Ergebnis lag hier bei durchschnittlich 51.000 CFU/10 ml im Vergleich zu 400 CFU/10 ml in Gruppe 1.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass mit einer nanoporös beschichteten Prothese mit einem eingelagerten Antibiotikum ein weiterer Fortschritt in der Mittelohrchirurgie geleistet werden kann. Die verwendeten Prothesen dieser Studie waren in der Lage, eine bakterielle Infektion im Mittelohr bedeutend zu reduzieren. Besonders wirkungsvoll ist hierbei eine schnelle Freisetzung des Medikaments aus der Beschichtung. Auch die getestete LDH-Beschichtung scheint eine sehr gute antibakterielle Wirksamkeit zu haben. Aufgrund der abweichenden Ergebnisse bei unterschiedlichen Infektionszeitpunkten muss vor einer möglichen klinischen Erprobung das Abbauverhalten der LDH-Nanopartikel im Mittelohrmillieu noch genauer charakterisiert und gegebenenfalls der Aufbau der LDHs verändert werden.

abstract (englisch)

Chronic otitis media is often associated with functional loss or even destruction of the ossicular chain. Nowadays, a number of alloplastic materials are used for reconstruction of the osseous structures in the middle ear. The requirements on the stability of the material and the biocompatibility are high. However, it is often impossible to implant the prosthesis in a sterile environment. Thus, complications up to a prosthesis extrusion may appear and making a revision surgery necessary. The objective of this study was to experimentally induce an otitis media in rabbits with the human-pathogenic germ Ps. aeruginosa and to combat this bacterial infection with two different ciprofloxacin-impregnated coatings as „drug delivery system“ on the prostheses to test the antibacterial efficacy and prevent bacterial colonization on implants. The basic material used for the prostheses was the glass ceramic Bioverit®II which is already effectively applied in reconstructive middle ear surgery.

In the first study, a nanoporous silica coating with impregnated antibiotic was used. We compared a „burst release” with a „slow release” coating. After three months, the rabbits were euthanised and dissected, followed by microbiological and histopathological investigations of different organs. The results showed that the fast release of the antibiotic in the first hours from the „burst release“ prostheses resulted in statistically significant better health condition of the rabbits. In the „slow release“ group, seven out of twelve rabbits had to be euthanised preterm, compared with only two animals in the „burst-release“ group (P < 0.05). Further, Ps. aeruginosa was detected in the swab samples of the brains in five rabbits of the „slow release” group, which indicates an ascending infection.

In the second study, a LDH coating (LDH = layered double hydroxide) was used as „drug-delivery system” for ciprofloxacin. Both groups were infected experimentally with Ps. aeruginosa at different time points. In group 1 the germ was injected during surgery in the middle ear. Group 2 was infected one week after implantation through the tympanic membrane to mimic a recurrent infection in order to further characterize the duration of the antibacterial efficacy of the ciprofloxacin-coated prostheses. After three weeks, no significant differences were observed regarding the general health condition of both groups. Clear differences could be demonstrated by bacteriological examination of the middle ear and implant irrigations. In two rabbits of Group 1, compared to five of Group 2, Ps. aeruginosa was detected. The quantitative examination of the implant irrigations showed a statistically significant higher concentration of bacteria in Group 2 (P < 0.05) with 51.000 CFU/10 ml compared to 400 CFU/10 ml in group 1.

In conclusion, nanoporous-coated prostheses with impregnated antibiotic is a further progress in middle ear surgery. The prostheses used in this study were able to significantly reduce bacterial infection in the middle ear after surgery. Particulary, a “burst release” seems to be more effective. The tested LDH coating seems to inherit a good antibacterial function as well but, as there was a decreased effect at recurrent infection, more research on the degradation of LDH nanoparticles kinetics in the environment of the middle ear is necessary in the attempt to establish LDHs as a therapeutic tool in postoperative infections in middle ear surgery.

keywords

Mittelohrprothesen, Ciprofloxacin, Kaninchen, middle ear protheses, ciprofloxacin, rabbits

kb

128