¹Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung, Universitätsklinikum Carl Gustav Carus und Medizinische Fakultät der Technischen Universität Dresden, Dresden, Deutschland
²UniversitätsCentrum für Orthopädie, Unfall- und Plastische Chirurgie, Universitätsklinikum Carl Gustav Carus an der Technischen Universität Dresden, Dresden, Deutschland
³Klinik und Poliklinik für Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Regensburg, Regensburg, Deutschland
⁴Klinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Universitätsklinikum Gießen, Gießen, Deutschland
⁵AG Translationale Bakteriophagentherapie für Implantatinfektionen, Institut für Virologie, Helmholtz Zentrum München, München, Deutschland

Text

Zielsetzung und Fragestellung: Implantat-assoziierte Infektionen stellen eine schwerwiegende Komplikation dar. Bakteriophagen – Viren, die Bakterien mit hoher Spezifität infizieren und abtöten – sind eine vielversprechende Ergänzung zur Antibiotikatherapie, insbesondere wenn die Wirksamkeit von Antibiotika durch multiresistente Bakterien beeinträchtigt ist. Eine lokale Verabreichung der Bakteriophagen erscheint sinnvoll; mit dem Einsatz von Biomaterialien als Träger sollen sie am Ort der Infektion immobilisiert und über einen längeren Zeitraum freigesetzt werden können.

Bioaktive Gläser (BG) sind klinisch etabliert; mesoporöse bioaktive Gläser (MBG) stellen eine Sonderform dar, die sich durch eine geordnete Porenstruktur und eine sehr große Oberfläche auszeichnet. (M)BG sind osteokonduktiv und hervorragend als Träger für z.B. Antibiotika oder Wachstumsfaktoren geeignet. Das Ziel der Studie war es, die Anwendbarkeit von MBG als Verabreichungssystem für Bakteriophagen zu evaluieren. Neben der Entwicklung einer Prozedur für die effiziente Beladung von MBG mit Bakteriophagen wurde untersucht, ob und über welchen Zeitraum aktive Bakteriophagen freigesetzt werden.

Material und Methoden: MBG-Mikropartikel wurden nach einem etablierten Protokoll hergestellt und hitzesterilisiert. Als Modell wurden Bakteriophagen gegen Escherichia coli und ein kommerziell erhältlicher Phagen-Cocktail verwendet. Zur Untersuchung der Freisetzung von aktiven Bakteriophagen wurden die beladenen MBG-Mikropartikel in human plasma-like medium (HPLM) bei 37°C inkubiert; zu definierten Zeitpunkten erfolgte ein Mediumswechsel. Die entnommenen Überstände wurden mittels einer Wachstumskurvenanalyse, gefolgt von einem Sterilitätstest, und einem Plaquebildungstest auf ihre Wirksamkeit gegen die Modellbakterienstämme getestet. Für die Applikation als injizierbares Verabreichungssystem wurden beladene MBG-Mikropartikel mit Biopolymer-basierten Hydrogelen gemischt.

Ergebnisse: MBG-Mikropartikel können einfach durch kurzzeitige Inkubation in einer Bakteriophagen-Suspension beladen werden. Im in vitro-Freisetzungsexperiment setzten sie über einen Zeitraum von 6 Wochen antibakteriell wirksame Bakteriophagen frei. Durch Kombination mit Alginat- und Fibrin-basierten Hydrogelen konnten injizierbare Kompositmaterialien erzeugt werden, die ebenfalls aktive Bakteriophagen über einen langen Zeitraum freisetzten.

Diskussion und Schlussfolgerung: MBG-Mikropartikel ermöglichen eine langanhaltende und lokale Bereitstellung von Bakteriophagen. Aufgrund ihrer Bioaktivität und der damit verbundenen Stimulation der Knochenregeneration erscheinen Bakteriophagen-beladene MBG insbesondere für die Behandlung von Implantat-assoziierten Infektionen in der Orthopädie und Unfallchirurgie vielversprechend. Die Kombination von MBG mit Hydrogelen erlaubt neben ihrer einfachen Applizierbarkeit auch die Entwicklung von dualen Freisetzungssystemen für die kombinierte Anwendung von Bakteriophagen und Antibiotika.