Bakteriozide Wirkung von pulsierendem Gleichstrom in vitro

dgkh000016 Originalarbeit Bakteriozide Wirkung von pulsierendem Gleichstrom in vitro Bactericidal activity of high voltage pulsed current (HVPC) in vitro Daeschlein Daeschlein Georg G

Institut für Hygiene und Umweltmedizin der Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Greifswald, Deutschland

author Ney Ney Frank F

Institut für Hygiene und Umweltmedizin der Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Greifswald, Deutschland

author Kramer Kramer Axel A Prof. Dr. med.

Institut für Hygiene und Umweltmedizin der Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Walther-Rathenau-Str. 49 a, 17489 GreifswaldInstitut für Hygiene und Umweltmedizin der Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Greifswald, Deutschland

kramer@uni-greifswald.de author German Medical Science

Düsseldorf, Köln

610 Pulsierender Gleichstrom Dermapulse®-Verfahren bakteriozide Wirkung 20060830 germ not yet available 1 1 GMS Krankenhaushygiene Interdisziplinär GMS Krankenhaushyg Interdiszip Die infizierte Problemwunde 16 Die Förderung der Wundheilung durch pulsierenden Gleichstrom insbesondere bei chronischen Wunden ist ein aktuelles Forschungsthema mit wachsender Bedeutung. Gegenüber Bakterien sind bisher überwiegend bakteriostatische Effekte in vitro und in vivo im Tiermodell nachgewiesen. Das Ausmaß der bakterioziden Wirksamkeit wurde jedoch bisher nicht untersucht. Bei Anwendung des Dermapulse®-Verfahrens wurden die untersuchten Bakterienspecies (Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Enterococcus faecium, Klebsiella pneumoniae und Staphylococcus epidermidis, MSSE) signifikant (p<0,01) reduziert. Dabei wurde die stärkste Reduktion gegenüber E. coli (mittlerer Reduktionsfaktor 0,8 lg), die geringste gegenüber MSSE (mittlerer Reduktionsfaktor 0,2 lg) ermittelt. Die Reduktion fiel zwischen positiver und negativer Polarität signifikant unterschiedlich aus, wobei die stärkere Wirkung bei positiver Polarität nachweisbar war. Im Vergleich zur mikrobioziden Wirkung eines Antiseptikums ist die bakteriozide Wirkung des pulsierenden Gleichstroms, obwohl sie gegen alle geprüften Bakterien signifikant nachweisbar ist, gering. Auf Grund der biologischen Wirkungen der Elektrostimulation auf die Wundheilung ist jedoch anzunehmen, dass die günstige Wirkung der Elektrostimulation durch deren direkte bakteriozide Wirkung noch verstärkt wird. The positive effect of electrical stimulation (ES) on wound healing has been shown in vitro and in vivo. Based on increased blood flow, protein denaturation and stimulation of cellular defence, an antibacterial effect of ES is to be expected. Although the antibacterial effect of ES already has been demonstrated in vitro, little attention has been paid to the direct antibacterial effect of changing polarity of the applied current. The aim of this study was to investigate the antibacterial effect of positive and negative monophasic high voltage pulsed current (HVPV) on typical gram positive and gram negative pathogens of chronic wounds. Using the WoundEL®-System, three gram negative (E. coli, P. aeruginosa, K. pneumoniae) and three gram positive (S. aureus, S. epidermidis, E. faecium) organisms were tested against positive and negative polarity HVPV. All tested organisms were significantly (P < 0.01) reduced by ES. The reduction differed significantly (P = 0.02) between positive and negative polarity, with the highest log10 RF achieved with positive polarity. Using positive polarity, the maximum RF was measured for Escherichia coli (median log10 RF 0.83; 25th percentile 0.59, 75th percentile 0.98), the lowest for Staphylococcus epidermidis (median log10 RF 0.20; 25th percentile 0.17, 75th percentile 0.24). Yet, there was no significant difference with positive ES against gram positive (P = 0.35) or gram negative (P = 0.71) organisms. Einleitung Gepulster Gleichstrom wird seit den 1960er Jahren zur Förderung der Wundheilung eingesetzt. Seine Wirkung wird nach wie vor kontrovers diskutiert. Positive Effekte auf die Wundheilung wurden zunächst in vitro und tierexperimentell , , , , , später auch an Patienten hauptsächlich mit chronischen Wunden nachgewiesen , , . Darüber hinaus sind Einzelbehandlungen von Verbrennungen , Malum perforantes und Keloiden , dokumentiert. In einer multizentrischen, doppelblinden, randomisierten, Placebo-kontrollierten Studie war die Heilungsdauer für Dekubitalulzera 3. Grades in der Plazebogruppe im Vergleich zur Elektrostimulation (ES) 52% länger (p=0.03), so dass die ES in Verbindung mit konservativer Therapie insbesondere in der ersten Heilungsperiode als vorteilhaft eingeschätzt wird . Hess et al. halten es für möglich, dass die Elektrostimulation (ES) eine der künftigen Therapieoptionen werden könnte. Die Wirkungsweise der ES bei der Behandlung des Ulcus cruris venosum ist durch das Zusammenwirken verschiedener physikalischer und biochemischer Prozesse gekennzeichnet , . Die Behandlung mittels ES kann das normale Hautpotential wiederherstellen, das natürliche Wunddebridement unterstützen und die überschießende Entzündungsreaktion begrenzen. Darüber hinaus kommt es zur Steigerung der Kollagensynthese im Wundbereich. Bei negativer Polarität der Elektrode wurden folgende Auswirkungen der ES beschrieben : Stimulation der Granulation Verbesserung der Durchblutung mit Ödemausschwemmung, Beseitigung nekrotischen Materials Proliferation der Fibroblasten Kollagenproduktion, Migration der Epidermalzellen Attraktion von Neutrophilen. Bei positiver Polarität der Elektrode sind folgende Auswirkungen der ES nachgewiesen : Stimulation der Epithelisierung Gerinnung mit Gefäßverschluss Proteindenaturierung Reduktion der Mastzellen in der Wunde Attraktion von Makrophagen. Üblicherweise wird die Behandlung für die ersten 7 d mit negativer Polarität begonnen und danach über mindestens 3 d mit positiver Polarität bzw. täglich wechselnder Elektrodenpolarität fortgesetzt . Kloth und Feedar betonen insbesondere bei Verlangsamung oder Stillstand der Wundheilung die Notwendigkeit des Polaritätswechsels der Behandlungselektrode. Aufgrund der Durchblutungsverbesserung und der Stimulierung neutrophiler Granulozyten durch ES ist zumindest eine indirekte antibakterielle Wirkung zu erwarten. In vitro war durch ES sogar eine direkte antibakterielle Wirkung gegenüber S. aureus, E. coli und P. aeruginosa nachweisbar . Daher bestand das Ziel der vorliegenden Studie in der Quantifizierung einer möglicherweise vorhandenen bakterioziden Wirkung in vitro gegenüber typischen Besiedlungs- bzw. Infektionserregern chronischer Wunden. Derartige Untersuchungen wurden mit dem Dermapulse®-Verfahren bisher nicht durchgeführt. Material und Methoden Die Elektroden (Typ WoundEL® , Gerromed, Betriebsdaten Tabelle 1 ) des Dermapulse®-Verfahrens bestehen aus einer oberflächlichen Beschichtung (Kontaktfläche zur Wunde) aus mittelstark absorbierendem Hydrogel, einer mittleren Strom leitenden Schicht aus Karbonfaser und einer unteren Schicht aus Polyurethan-Schaum. Für die Versuche wurden die Elektroden in kleine Stücke von 2,5 cm x 2,5 cm (6,25 cm2) geschnitten. Als Wundäquivalent wurden 2,5 cm x 2,5 cm (6,25 cm2) sterile Baumwollläppchen (100% Baumwolle) eingesetzt. Als typische Erreger von Wundinfektionen wurden folgende Bakterienspecies untersucht: Escherichia coli (EC) (ATCC 11229), Staphylococcus aureus (MSSA) (ATCC 6538) und Pseudomonas aeruginosa (PA) (ATCC 15442). Als typische Kolonisationserreger chronischer Wunden (z.B. Ulcus decubitus) wurden Enterococcus faecium (EF) (ATCC 6057), Klebsiella pneumoniae (KPN) (Hautisolat eines Neonaten IHU 05/2036) und Staphylococcus epidermidis (MSSE) (Haut-Isolat eines Erwachsenem, IHU 04/1853) eingesetzt. Zu Versuchsbeginn wurden jeweils 6 Baumwollstückchen mit 300 µl Suspension der jeweiligen Bakterienspecies (1,2 - 2,7 x 104 koloniebildende Einheiten (KbE)/ml) getränkt und auf eine Stahlplatte (58 cm x 40 cm x 4 mm, stainless steel V4A) aufgelegt. Die Baumwollstückchen wurden unmittelbar danach mit den Elektroden bedeckt, wobei zur besseren Haftung zusätzlich zur üblichen Wundanwendung ein steriler Objektträger darüber gelegt wurde. Danach wurden 4 der 6 Sets (ein Set = Elektrode + Baumwollstückchen + Objektträger) über die Elektrode mit dem Dermapulse® Gerät verbunden. Die ES wurde mit einer Stromstärke von 42 mA bei einer Frequenz von 128 Hz über 30 min durchgeführt. Diese Konfiguration entspricht der empfohlenen klinischen Anwendung. Zur Untersuchung des Einflusses der Polarität wurden je 4 der Sets mit positiver bzw. negativer Polarität angeschlossen. Die verbleibenden beiden Sets dienten als Kontrolle, d. h. die liegenden Elektroden wurden nicht mit dem Dermapulse® Gerät konnektiert. Nach 30 min ES wurden die Elektroden entfernt und jedes Baumwollstückchen für 120 s in 20 ml Casein-Soja-Pepton Bouillon (CSL, Oxoid, Wedel, Germany) gevortext. Aus dieser Suspension wurden 34,5 µL auf Columbia Schafblutagar (Oxoid) mit dem Spiralplater (Meintrup, Germany) ausplattiert und bei 36°C 24 h inkubiert. Die ausgezählten KbE (arithmetisches Mittel) wurden mit den Kontrollen verglichen und die bakterielle Reduktion als sog. Reduktionsfaktor (RF) für jeden Test nach der Formel RF = log (A) - log (B) ermittelt (A= KbE der Kontrolle, B= KbE nach ES). Die Anzahl durchgeführter Tests ist in Tabelle 2 aufgeführt. Zur statistischen Auswertung wurde der T-Test für unabhängige Stichproben mit einer Test power von 0,8 und einem p von 0,05 eingesetzt. Als Software wurde SPSS für Windows® verwendet. Ergebnisse Die Ergebnisse (Abbildung 1 , Abbildung 2 , Tabelle 3 ) lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Alle getesteten Bakterienspecies wurden signifikant (p<0,01) reduziert. Die stärkste Reduktion wurde gegenüber E.coli (mittlerer RF 0,8), die geringste gegenüber MSSE (mittlerer RF 0,2) ermittelt. Die Reduktion fiel zwischen positiver und negativer Polarität signifikant unterschiedlich aus, wobei die stärkere Reduktion bei positiver Polarität nachweisbar war. Diskussion Bezüglich der Wirkung auf Bakterien sind folgende Einflüsse in vitro nachgewiesen: Hemmung der chemotaktischen Aktivität , Verkürzung der Überlebensfähigkeit (E. coli, S. marcescens) und direkte bakteriostatische Wirkung . Im mit P. aeruginosa infizierten Ulcus der Ratte war bei negativer Polarität auch in vivo eine antibakterielle Wirkung nachweisbar . Das Ausmaß der bakterioziden Wirksamkeit wurde jedoch bisher nicht untersucht. Im Vergleich zur mikrobioziden Wirkung eines Antiseptikums, die bei Eiweißbelastung mit einem RF ≥ 3 lg definiert ist, ist die bakteriozide Wirkung der ES, obwohl sie gegen alle geprüften Bakterien signifikant nachweisbar war, nur gering. Generell wird jedoch durch die bakteriozide Wirkung die biologische Aktivität der ES bestätigt. Es ist anzunehmen, dass durch die bakteriozide Wirkung die günstige Wirkung der ES auf die Heilung besonders chronischer Wunden direkt unterstützt wird, weil jede Infektion mit einer Wundheilungshemmung verbunden ist, insbesondere durch Toxinfreisetzung und die Wirkung inflammatorischer Mediatoren. In vivo kommen weitere durch ES stimulierte wundheilungsfördernde Einflüsse wie Attraktion von Neutrophilen und Makrophagen, Verbesserung der Durchblutung und Beeinflussung des Membranpotentials hinzu. Der elektrophysiolgische Wirkungsmechanismus der bei negativer im Vergleich zu positiver Polarität ermittelten geringeren bakterioziden Aktivität ist offen. Ob diese Differenz in vivo in gleicher Weise ausfällt, kann mit der Studie nicht beurteilt werden. In der klinischen Anwendung der ES wird üblicherweise für die ersten 7 d der Behandlung negative Elektrodenpolarität, danach über mindestens 3 d positive bzw. täglich wechselnde Elektrodenpolarität eingesetzt. Der Grund hierfür ist die höhere Wirkung der negativen Elektrodenpolarität auf Durchblutung und Attraktation neutrophiler Granulozyten mit den günstigen Auswirkungen auf Debridement, Inflammation und Ödembildung . Es ist jedoch trotz der geringeren bakterioziden Wirkung der negativen im Vergleich zur positiven Elektrodenpolarität anzunehmen, dass die durch die negative Polarität in vivo induzierten indirekten antibakteriellen Abwehrmechanismen zusätzlich unterstützt werden. In der nachfolgenden Anwendung positiver Elektrodenpolarität kann dieser Effekt verstärkt zur Auswirkung kommen. Adunsky A Ohry A Decubitus direct current treatment (DDCT) of pressure ulcers: results of a randomized double-blinded placebo controlled study 2005 Arch Gerontol Geriatr 261-9 Adunsky A, Ohry A. Decubitus direct current treatment (DDCT) of pressure ulcers: results of a randomized double-blinded placebo controlled study. Arch Gerontol Geriatr. 2005;41(3):261-9. 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1 1 Abbildung 1: Boxplots (Mediane, 25% und 75% Percentile) der RF-Werte nach ES bei negativer und positiver Elektrodenpolarität für die untersuchten Bakterienspecies KPN: K.pneumoniae , EC: E. coli , EF: E. faecium , MSSA: Methicillin sensitiver S. aureus, MSSE: Methicillin sensitiver S. epidermidis , PA: P. aeruginosa

2 2 Abbildung 2: Einfluss der Polarität: durchschnittlicher Reduktionsfaktor 2 0 0