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

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.