Knochenersatzwerkstoffe als lokale Wirkstoffträger

Trotz systemischer Antibiotikaprophylaxe und Operationen unter Laminar-Flow-Einrichtungen ist das Risiko von Infektionen beim Einsatz von Knochenchips ohne Zusatz von lokalen Antibiotika erhöht. [86]. Besonders in der Tumorchirurgie sind bei der Überbrückung sehr großer Defekte relativ hohe Infektionsraten beschrieben worden [6].

Pfannen- [72] und Femurrekonstruktionen mittels der Technik des Impaction Grafting [31] können in Bezug auf Infektionen kritisch sein, da bei der erneuten Operation der knöcherne Unterbau sowie zusätzliches Knochenmaterial entfernt werden muss. Im speziellen Fall eines Knocheninfekts wird von einer Rekonstruktion mit Knochenchips in der Regel abgeraten, weil von einer klassischen Sequestersituation ausgegangen werden muss [25].

Bei Augmentationen können je nach klinischer Situation sowohl Polymethylmethacrylat(PMMA)-Zemente als auch Knochenchips verwendet werden [47]. In klinischen Fällen, in denen Knochenzemente mit Antibiotika nicht indiziert sind, wurde frühzeitig versucht, Knochenchips mit oder ohne Knochenersatzwerkstoffe (KEW) zusätzlich mit antiinfektiven Wirkstoffen zu versehen, und das Kombinationsmaterial als lokalen Wirkstoffträger klinisch zu verwenden [9, 29]. Insbesondere finden KEW im zahnärztlichen Umfeld interessante Anwendungsgebiete [66, 73].

Eine detaillierte Übersicht und Klassifizierung der KEW geben Rueger [65], Soldner und Herr [74] und Ferguson et al. [20]. Obwohl es sich in der Regel bei den KEW um Medizinprodukte handelt, steht bei einer zusätzlichen Wirkstoffzugabe oftmals die Nebenfunktion klinisch im Vordergrund – das Débridement mit systemischer und lokaler Antibiotikagabe:

Als lokale Wirkstoffträger kommen in Betracht:

Autologer nativer Knochen gilt als Goldstandard [33] und ist zweifellos ein idealer Wirkstoffträger.

Antibiotisch beladene Knochenchips wurden erstmals lokal zur Behandlung einer Osteomyelitis eingesetzt und dabei mit Penicillin versetzt. Inzwischen gibt es zahlreiche Berichte über eine erfolgreiche Infektsanierung und Auffüllung von Knochendefekten im Zuge einer Osteomyelitistherapie durch Verwendung von auto- oder allogenem spongiösem Knochenmaterial, das wahlweise mit verschiedenen Antibiotika imprägniert wurde [20, 30, 85].

Die Antibiotika wurden sowohl als Flüssigkeit als auch als Pulver eingesetzt. Weiterhin werden in der klinischen Praxis antibiotikahaltige Vliese zerkleinert und mit Knochenchips vermischt implantiert. Eine Vielzahl von klinischen Studien und Fallberichten unter Verwendung von unterschiedlichen Wirkstoffen und Wirkstoffkombinationen [7, 87] hat ihre Wirksamkeit gezeigt.

Knochenchips können antiinfektive Substanzen gut aufnehmen, da ihre Oberfläche groß ist. Knochenchips können zudem antiinfektive Stoffe binden und nur langsam wieder eluieren, was einen idealen Retardeffekt bedingt. Ein lokal bewegliches Flüssigkeitsmedium fördert die Diffusion aus der Matrix. Blutbestandteile beim nativen Knochen können einerseits hinderlich sein, indem die Wirkstoffe nicht optimal in den Knochen eindringen können, andererseits kann das Blut selbst den Wirkstoff aufnehmen und retardierend an die Umgebung wieder abgeben. In beiden Fällen werden die Funktionen einer Wirkstoffzugabe zum Schutz der Chips und zur Wirkstoffabgabe direkt in und um den Implantationsort erfüllt.

Neben nativen Knochen nehmen auch lyophilisierte und thermodesinfizierte Chips ebenfalls rasch flüssige Wirkstoffe auf und geben diese verzögert wieder ab. [12, 13].

Hydrophobe (fetthaltige) Stoffe mit adhäsivem Charakter können an der Oberfläche von Knochenchips anhaften und entsprechend der Löslichkeit der Fette Antibiotika freisetzen. Dabei können auch Wirkstoffbestandteile in den Knochen eindringen und zusätzlich einen Retardeffekt bewirken. Grundsätzlich können hydrophile und hydrophobe Wirkstoffe mit Knochenchips kombiniert werden. Der leicht lösliche Wirkstoffanteil wird dabei unmittelbar nach der Implantation freigesetzt, während die schlechter lösliche Komponente für eine verzögerte Elution über mehrere Tage sorgt [11, 14]. Eine Imprägnierung autologer oder allogener Knochenchips mit Antibiotika kann zur „Einstreuung“ von lyophilisiertem Antibiotikapulver, wie z. B. Vancomycin, in die Wunde verwendet werden. In der Wirbelsäulenchirurgie wird dies praktiziert. Allerdings hat diese Technik bei weitem nicht den Retardeffekt wie gewünscht, da die Antibiotika nur oberflächlich an den Chips anhaften und sich somit leicht ablösen können. Die Folge ist eine kurze hohe lokale Wirkstoffkonzentration, ähnlich wie bei einer intramuskulären Injektion. Die Evidenz einer solchen Vorgehensweise ist gering. Zudem sollte die Gefahr von toxischen Effekten auf die Osteoblastenfunktion bei sehr hohen lokalen Konzentrationen nicht unterschätzt werden [22].

Die Herstellung einer Kombination aus Knochenchips und Wirkstoff erfolgt grundsätzlich auf zwei Wegen: Antibiotikapulver wird mit den Chips vermischt oder die Chips werden quasi beschichtet. Handelt es sich dabei um trockene Materialien, kommt es zunächst noch nicht zu einer Wechselwirkung von Trägersubstanz und Wirkstoff. Werden wässrige Komponenten eingesetzt, können die Wirkstoffe rasch in die Chips eindringen und gleichzeitig eine äußere Barriereschicht aufbauen. Die Antibiotika werden in der Regel zunächst in hoher Konzentration freigesetzt. Tatsächlich werden etwa 80 % der eingesetzten Antibiotika bereits in den ersten Stunden freigesetzt. Es folgt eine moderate exponentiell verlaufende Freisetzung an den Folgetagen. Nach Witso et al. [87] werden Aminoglykoside innerhalb von 6 Wochen nahezu vollständig freigesetzt. Ähnlich verhalten sich Glykopeptidantibiotika (Vancomycin). Werden allerdings Glykopeptide mit Aminoglykosiden kombiniert, ist ein antagonistischer Effekt zu beobachten und die Glykopeptidausscheidung wird reduziert. Dies steht im Widerspruch zur synergistischen Wirkung von Gentamicin und Vancomycin bei Knochenzementen [1, 43, 48, 49]. Eine vergleichende Untersuchung von Coraca-Huber et al. [13] zeigte keine signifikanten Unterschiede im Freisetzungsverhalten von Antibiotika aus nativen, thermodesinfizierten und lyophilisierten Knochenchips, die mit Gentamicin und Vancomycin versetzt wurden. Das Elutionsverhalten einer Kombination aus hydrophilen (Gentamicinsulfat) und hydrophoben (z. B. Gentamicinpalmitat) Gentamicin-Salzen erwies sich in den Untersuchungen als besonders geeignet, da sich die hohe initiale Freisetzung auch noch nach einigen Folgetagen relativ hoch einstellen ließ.

Grundsätzlich zeigen Freisetzungen unter In-vitro- und In-vivo-Bedingungen ein vergleichbares Verhalten [86]. Ausnahmen sind Betalactamantibiotika, die unter In-vivo-Bedingungen Komplexe bilden können und daher weniger geeignet sind für eine antiinfektive Ausrüstung von Knochenchips (Abb. 1).

Das Freisetzungsverhalten wird grundsätzlich beeinflusst durch:

Kombinationen von Chips mit Antibiotika der Gruppe der Fluorchinolone können die Bruchheilung negativ beeinflussen, Chloramphenicol und Methicillin können die Osteogenese herabsetzen. Von daher können nicht alle Antibiotika und antiinfektiven Substanzen bedenkenlos mit Chips kombiniert werden. Empfehlenswert ist immer eine vorherige Diskussion mit Mikrobiologen und Apothekern, bevor eine Entscheidung ad hoc in der intraoperativen Situation gefällt wird, welche Wirkstoffe eingesetzt werden sollen.

Auto- oder allogenes Knochenmaterial gilt als das Material der Wahl, auch wenn das Risiko einer Übertragung von Keimen durchaus denkbar ist. Weitere mit der Gewinnung von autogenem Material an Donorstellen verbundene Nachteile und Risiken sind nach Rueger et al. [65]:

Bei nur begrenzter Verfügbarkeit von auto- oder allogenem Knochenmaterial können KEW entweder alleine oder in Kombination mit Knochenchips eingesetzt werden. KEW füllen ebenfalls Knochendefekte auf und können eine Knochenheilung unterstützen. Allerdings muss bemerkt werden, dass sich der Wunsch, KEW als resorbierbare Werkstoffe alternativ zum nichtresorbierbaren PMMA-Knochenzement einzusetzen [9], weitestgehend nicht erfüllt hat. Insbesondere wegen der oftmals fehlenden mechanischen Stabilität der KEW erwies sich das Material als nicht geeignet, um Implantate im Knochen dauerhaft zu fixieren.

Die Entwicklung der KEW reicht weit zurück und ist in den letzten Jahren aufgrund der vielfältigen Weiterentwicklungen immer komplexer geworden. Eine Übersicht über die Historie und Entwicklungen geben Bösebeck und Büchner [5]. Eine aktuelle Beschreibung, insbesondere unter klinischer Betrachtung, geben Vugt et al. [82] sowie Boot und Vogerly [4] für den prophylaktischen Einsatz von Knochenersatzwerkstoffen mit Wirkstoffzusatz.

Grundvoraussetzung ist, dass die KEW für den klinischen Einsatz geeignet sind und zumindest osteokonduktiv oder besser auch zusätzlich osteoinduktiv wirken. Osteogenetische Wirkung zeigen hingegen nur autogene Spongiosa oder Knochenmarkaspirat und osteopromotorische Effekte plättchenreiches Plasma oder demineralisierte Knochenmatrix (DBM) (siehe Abb. 2).

KEW können – wie Knochenchips – mit antiinfektiven Substanzen kombiniert werden und dienen dann ebenso als lokale Wirkstoffträger. Die Ausrüstung von KEW mit antiinfektiven Substanzen ist in der Regel bedeutend einfacher als die von Knochenchips, da KEW entweder als trockene Pulver oder Granulate zum Einsatz kommen, die während der Herstellung elegant mit antiinfektiven Substanzen versetzt werden können. Pastenförmige Materialien werden in der Regel aus Pulver oder Granulat und Wasser angemischt und bilden in situ eine formbare Masse. Allerdings können auch bereits vorgefertigte Pasten zum Einsatz kommen, die zudem mit geeigneten Applikatoren am Markt erhältlich sind. Solche werden während der Herstellung mit antiinfektiven Substanzen ausgerüstet. Allerdings muss sichergestellt werden, dass die Pastenherstellung keinen negativen Einfluss auf die zu dosierenden Wirkstoffe hat. Antimikrobielle Substanzen können dabei sowohl als Feststoff oder als Flüssigkeit zugemischt werden, sodass eine homogene Verteilung in der daraus hergestellten Paste zu erwarten ist.

Grundsätzlich dienen solche antimikrobiellen Zusätze dem Schutz des körperfremden und synthetischen Knochenmaterials vor einer sekundären bakteriellen (Re)Besiedelung. Durch die zusätzliche Abgabe des Wirkstoffes wird der synthetische Knochenersatz zum lokalen Träger eines Wirkstoffes, einem Kombinationsprodukt mit unterschiedlichen Funktionen.

Definitionsgemäß sind KEW Biomaterialien, die als körperfremde Substanzen nach Implantation im Körper vorhandene strukturelle Elemente oder gar ganze Gewebe und deren Funktion weitgehend ersetzen [65]. Biomaterialien sind Medizinprodukte und müssen vor der Registrierung und Inverkehrbringung durch eine Zertifizierungsstelle („notified body“) zertifiziert werden. Die Kombination aus Wirkstoff und KEW ist ebenfalls ein Medizinprodukt. Als Klasse-III-Produkte werden diese zusätzlich in Bezug auf den Wirkstoffanteil von einer Arzneimittelbehörde überprüft (Konsultationsverfahren). Der Grund liegt darin, dass immer mögliche chemische und pharmakologische Wechselwirkungen dieser Stoffe mit der Umgebung berücksichtigt werden müssen, damit Haupt- und Nebenfunktion des KEW unter klinischen Bedingungen Bestand haben. Der Chirurg kann selbst eine klinisch sinnvolle Mischung aus Wirkstoff und KEW intraoperativ herstellen. Der Chirurg ist dann Hersteller im Sinne des Gesetzes und übernimmt sämtliche Haftungsrisiken. Für einen industriell hergestellten KEW mit Antibiotikazusatz sind umfangreiche Testungen und Studien der Zulassungsbehörde vorzulegen, bevor eine Zertifizierung erfolgen kann. Diese Anforderungen haben sich in den letzten Jahren zunehmend verschärft.

Kombinationsprodukte bestehen aus seiner Kombination von Wirkstoffen und medizinischen Geräten und/oder biologischen Komponenten. Für die unterschiedlichen Produkte (Wirkstoff/Trägermaterial) sind gewöhnlich verschiedene Zulassungsbehörden verantwortlich, was oftmals eine Zertifizierung zusätzlich erschwert. Eine präzisere Definition der Kombinationsprodukte wäre sinnvoll, um eine genauere Regulierung zu gewährleisten. Dies besonders unter dem Aspekt, dass die einzelnen Komponenten und ihre Kategorisierung Einfluss auf weitere Prozesse, wie präklinische Prüfung und Vermarktung, haben.

Laut dem Code of Federal Regulations 21 CFR 3.2 (e) [78] ist ein Kombinationsprodukt folgendermaßen definiert:

Zwangsläufig sind daher KEW mit Antibiotikazusatz Kombinationsprodukte im Sinne des Gesetzes. Der Grund für die Kategorisierung solcher Produkte ist ihr primäres Wirkungsprinzip, nämlich der Ersatz verloren gegangenen Knochens, insbesondere zur Auffüllung von Defekten. Die Funktion des Wirkstoffs ist dem primären Wirkungsprinzip untergeordnet, womit das Produkt insgesamt als Kombinationsprodukt registriert werden kann. Diese Kategorisierung ist für den Hersteller im Hinblick auf Markteinführungszeit und regulatorische Anforderungen in den meisten Fällen von Vorteil. Ist diese Primärfunktion jedoch nicht gegeben, d. h. die Kombination dient ausschließlich als Wirkstoffträger zur Behandlung einer Knocheninfektion, muss das Produkt als Arzneimittel angesehen werden.

Weiterhin muss während des Zulassungsverfahrens geprüft werden, ob das Kombinationsprodukt beide vom Hersteller deklarierten Funktionen erfüllt. Im Falle von KEW mit Antibiotikazusatz muss belegt werden, dass das Produkt als Füllstoff die Knochenregeneration unterstützt und gleichzeitig durch Keime nicht besiedelt werden kann. Damit muss auch die sogenannte antimikrobielle Barrierewirkung der eingesetzten Antibiotika in vitro und in vivo nachgewiesen werden, damit das körperfremde Implantationsmaterial nicht als Rückzugsgebiet für Keime dient.

In der klinischen Praxis führen die zunehmend rigiden behördlichen Anforderungen an die Zertifizierung von Kombinationsprodukten derzeit immer häufiger dazu, dass der Chirurg als Anwender selbst zum Hersteller wird und die Kombinationsprodukte selbst intraoperativ herstellt. Zu diesem Zweck werden KEW ohne Wirkstoffzusatz im Operationssaal mit Antibiotika aus der Krankenhausapotheke vermischt und anschließend implantiert. Bei dieser Anwendung als „off-label use“ sollte berücksichtigt werden, dass eine ganze Reihe von zugemischten Stoffen eine Einfluss auf die Grundeigenschaften des Knochenersatzwerkstoffs haben können. Neben einer inhomogenen Wirkstoffverteilung können bei Aushärtungssystemen Einflüsse auf die Aushärtung, die mechanische Stabilität und die Kristallisationsprozesse vorkommen. Zudem kann die Matrix instabil und porös werden und damit der Freisetzungsprozess der inkorporierten Wirkstoffe völlig verändert sein [67].

Als KEW werden synthetische Stoffe verwendet, die nach Implantation den Knochenheilungsprozess fördern. Eine Biointegration kann durch eine Mischung mit autogenem Material deutlich gesteigert werden. Als Knochenersatzwerkstoff kommen unterschiedliche Materialien zum Einsatz.

Aufgrund der zuvor beschriebenen hohen Zertifizierungshürden sind derzeit nur wenige Kombinationsprodukte am Markt erhältlich. Als Biomaterialien und Klasse-II-Medizinprodukte ohne Antibiotikazusatz existieren viele zugelassene Produkte in den unterschiedlichsten Kombinationen aus Werkstoffen. In der Literatur werden Produkte beschrieben, die mit verschiedenen Antibiotika bzw. anderen Wirkstoffen kombiniert werden und insbesondere bei der Bekämpfung einer Osteomyelitis eingesetzt werden. PerOssal® und Stimulan® (Biocomposites, Staffordshire, England) sind beispielsweise solche KEW-Mischungen, die in diesen Zusammenhang oftmals genannt werden [20].

Osteoset® T (Wright Medical, Landsberg, Deutschland), ein aus Calciumsulfat und Tobramycin (4 Gew.%) bestehender KEW, war das erste am Markt erhältliche Kombinationsprodukt [35, 51, 52, 64]. Weitere zugelassene Produkte sind Herafill® G (Heraeus Medical, Wehrheim, Deutschland) sowie Cerament®G und Cerament®V (BoneSupport, Lund, Schweden). Herafill®G besteht aus einer Mischung aus Calciumsulfat-Dihydrat, Calciumcarbonat als Puffer und Tripalmitin als Bindemittel. Als Wirkstoff wird 1 Gew.% Gentamicin zugesetzt. Das Cerament® ist eine Mischung aus Calciumsulfat und Hydroxylapatit (im Verhältnis 60:40), der entweder Gentamicin (17,5 mg/ml Paste) oder aber Vancomycin (66 mg/ml Paste) als Antibiotikum zugesetzt ist [42]. Während Osteoset®T und Herafill®G als Formkörper (Pellets) angeboten werden, steht Cerament® als injizierbare Paste zur Verfügung (Tab. 2).

Biphasische Knochenersatzmaterialien (Cerament®G), die Infektionen während der Knochenregenerationsphase verhindern sollen, zeigen zum Teil eine starke Freisetzung in der initialen Phase und dann eine retardiert geringere Freisetzung in der späteren Anwendung [53, 75].

Pförringer et al. [59] untersuchten die Herafill®-Mischung aus Calciumsulfat und Calciumcarbonat mit Antibiotikazusatz. Dabei wurden beide Trägersubstanzen als Puffer vermischt und anschließend in einem speziellen Verfahren mit einem Bindemittel (Tripalmitin) gecoated. Bei diesem Beschichtungsvorgang wurde zusätzlich Wirkstoff eingesetzt, zum einen Gentamicin und zum anderen Vancomycin. Daraus wurden Formkörper gepresst und Granulate hergestellt werden, die dann untersucht wurden [14]. Sowohl die Formkörper als auch die Granulate zeigten eine hohe initiale Freisetzung und eine weitere Elution über mehrere Tage unter In-vitro-Bedingungen.

Wechselwirkungen empfindlicher Antibiotika, die mit KEW kombiniert werden, sind im Kaltpressverfahren nicht zu erwarten. Alle im Herafill® eingesetzten Substanzen erwiesen sich als biokompatibel und erfüllen alle einschlägigen Normen (z. B. ISO 10993). Die Biokompatibilität wurde zudem durch Implantationsversuche bestätigt. Die Degradation erfolgt bevorzugt zellulär, die Wirkstoffelution (Abb. 7) über mehrere Tage [23, 24]. Über Osteoset®T wurden ebenfalls neben In-vitro-Studien klinische Daten erhoben [52]. Eine aktuelle Studie, die erstmalig einen kollagenen Antibiotikaträger mit einem Calciumcarbonat-Calciumsulfat-haltigen Träger (Herafill®) vergleicht, zeigt ein trägermaterialbasiert vergleichbares Elutionsprofil für die eingesetzten Antibiotika.