Vancomycin und Natriumhypochlorit – sind sie wirklich sicher in der Wirbelsäulenchirurgie?

Abstract-Text deutsch

Einleitung

Die topische Anwendung von Vancomycin und Natriumhypochlorit in der septischen Wirbelsäulenchirurgie ist weit verbreitet. Der wirkstoffinduzierte Einfluss auf die Dura mater wurde jedoch bisher nicht untersucht, könnte aber durch eine Schädigung der Blut-Hirn-Schranke potentiell Infektionen intradural hervorrufen. Außerdem könnte der Transfer der Substanzen nach intradural neurotoxisch wirken. Ziel der Studie war es daher, die Auswirkungen von topisch verabreichtem Vancomycin und Natriumhypochlorit auf das Gewebe der spinalen Dura In-vitro zu untersuchen.

Material und Methoden

Der zeitabhängige (2 - 240 Minuten) relative Massentransfer von Vancomycin (1, 10, 100 mg/ml) durch Dura-Proben vom Rind In-vitro wurde berechnet, indem die beobachteten Konzentrationen (bestimmt durch Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie (HRMS)) des Akzeptor- und des Donor-Kompartiments dividiert wurden. Mit Hilfe der Second-Harmonic-Generation (SHG)-Bildgebung wurde die wirkstoffinduzierte Gewebeveränderung zwischen Minute 5 und 50 in 2-Minuten-Intervallen analysiert, wobei das Hauptaugenmerk auf Veränderungen der Höhe und Breite der Dünnschnitte sowie auf eine Degeneration der Kollagenfasern gelegt wurde. Darüber hinaus wurde die Proteinfreisetzung in Dura-Perfusaten quantitativ mit dem Bradford-Assay und durch SDA-PAGE mit Silberfärbung sowie die Permeabilität der behandelten Dura-Proben anhand der 3ʹ-(p-Aminophenyl)-Fluorescein (APF)-Diffusion nach Natriumhypochlorit- oder Vancomycin-Behandlung analysiert.

Ergebnisse

HRMS-Analysen zeigten, dass eine geringe relative, aber expositionszeit- und konzentrationsabhängige (jeweils p<0,001) Rate (<5%) des applizierten Vancomycins die Dura passierte. Insbesondere bei Konzentrationen von 1 und 10 mg/ml. Je nach Vancomycin-Konzentration im Donor-Kompartiment wurden im Akzeptor-Kompartiment etwa zwischen 39 µg/ml und 480 µg/ml Vancomycin gefunden. Aus spektroskopischer Sicht führen Natriumhypochlorit und Vancomycin zu einem Anschwellen der Dura. Beide Substanzen führen zu einem erhöhten Proteinverlust aus den Dura-Präparaten. Eine Dura-Permeation von APF wurde jedoch nur nach Vancomycin-Behandlung festgestellt.

Diskussion

Wir haben Vancomycin und Natriumhypochlorit als potenziell gewebeschädigende Substanzen der Dura identifiziert. Die Untersuchung zeigte, dass beide Substanzen zu einer Proteinfreisetzung führen und insbesondere Vancomycin durch die Dura diffundiert. In-vivo könnte dies potenziell neurotoxische Folgen haben. Darüber hinaus könnte die Schwächung der Blut-Hirn-Schranke auch zu einer Ausbreitung einer Infektion in den Liquorraum führen. Obwohl die Ergebnisse in einer In-vitro-Umgebung erhoben wurden und nicht vollständig auf In-vivo-Bedingungen übertragbar sind, empfehlen wir eine Spülung mit Kochsalzlösung nach der Anwendung mit Natriumhypochlorit. Außerdem sollte die direkte Applikation von Vancomycin-Pulver auf der Dura vermieden werden.

Abstract-Text englisch

Introduction:

Topical use of vancomycin and sodium hypochlorite in septic spine surgery is very common. However, drug-induced tissue damage to the dura has not been studied, but could potentially cause infections intradurally by disrupting the blood-brain barrier. In addition, drug transfer to intradural could be neurotoxic. Therefore, we aimed to investigate the effects of topically used vancomycin and sodium hypochlorite on the tissue of the spinal dura in-vitro.

Material and Methods

Time dependent (2 – 240min) relative mass transfer of vancomycin (1, 10, 100mg/ml) through bovine dura mater samples was calculated by dividing the observed concentrations (determined by high resolution liquid-chromatography mass spectrometry (HRMS)) of the acceptor and those of the donor compartment in an in-vitro model. To investigate the non-diffusion limited effects, thin tissue sections were cut perpendicular to the dura"s surface, ensuring drug exposure to all dural layers. Using spatiotemporal Second-Harmonic-Generation (SHG) imaging, we analyzed drug-induced tissue changes roughly between minute 5 and 50 at 2-minute intervals, focussing on dimensional changes of thin section height and width as well as a degeneration of collagen fibers as indicated by the SHG-signal intensity itself. On top of this, protein release into dura perfusates was analyzed quantitatively using the Bradford assay and by SDA-PAGE with silver-staining together with permeability of the treated dura samples based on 3ʹ-(p-aminophenyl) fluorescein (APF) diffusion after sodium hypochlorite or vancomycin treatment.

Results

HRMS analyses showed that a low relative but exposition time and concentration dependent (each p<0.001) rate (<5%) of the applied vancomycin passed the dura, especially in concentrations of 1 and 10 mg/ml. Depending on the applied vancomycin concentration in the donor compartment, approximately between 39 µg/mL and 480 µg/mL vancomycin was found in the acceptor compartment. From a spectroscopic point of view, sodium hypochlorite and vancomycin lead to a swelling in width associated with an overall loss of SHG intensity. Both substances lead to increased protein loss from the dura preparations. However, dura-permeation of AFP was only detected after vancomycin treatment.

Discussion

We identified sodium hypochlorite and vancomycin as potentially damaging agents of the dura mater tissue. Our study demonstrated that both can lead to protein release and especially vancomycin diffuses through the dura mater. In-vivo this could lead to potential neurotoxic consequences. Besides this, the weakening of the blood-brain barrier could also result in dissemination of infection to the cerebrospinal fluid. Despite the results were derived in an in-vitro setting and cannot be fully transferred to in-vivo condition, we suggest irrigation with saline after that with sodium hypochlorite. Additionally, direct vancomycin powder placement on the dura should be avoided.