Effectiveness of Prophylactic Intraosseous Antibiotic versus Intravenous Antibiotic in Knee Surgeries in Pigs: Experimental Study.

Objective  To demonstrate that the intraosseous (IO) access is more effective compared with the intravenous (IV) access for prophylactic antibiotic administration in knee joint surgeries, using 36 pigs as live models. Materials and Methods  Skin, subcutaneous tissue, cartilage, and bone samples were collected, analyzed and compared after the administration of IV or IO antibiotic in different groups. Results  When comparing the IO and IV groups, the IO group showed a higher concentration of prophylactic antibiotic in the skin ( p  = 0.049), cartilage ( p  = 0.018), and bone ( p  = 0.002), in the analysis of the first 24 hours after 30 minutes of infusion. Conclusion  Since complications regarding this practice are rare, the use of this pathway may be an alternative to reduce the risk of surgical site infection in orthopedic surgeries, leading to a decrease in morbidity and mortality and hospital expenses with readmission or prolonged hospitalization time. However, further research and further experimental studies in humans are required, as the effectiveness of the method in pigs has been proved.

Introduction

Infection at the surgical site is a significant cause of morbidity and mortality in knee joint surgeries, which has an indirect impact on the country's economy. 1 Patients with infection are more likely to die, require intensive care, and need retreatment. Orthopedic wards are classified as high-risk sites for this complication, especially in patients undergoing arthroplasties. 2 However, the administration of prophylactic antibiotic has shown to decrease the contamination and infection rates, and is the focus of many current researches. 1 3

The most common bacteria that causes contamination and subsequent infection in total knee arthroplasties are Staphylococcus aureus and coagulase-negative staphylococci (CNSs). 3 4 5 Systemic administration of the first generation of cephalosporins and of vancomycin has been the most widely accepted recommendation regarding prophylaxis. Cephalosporins have a spectrum of activity against coagulase-negative staphylococci, methicillin-sensitive S. aureus (MSSA) and certain gram-negative bacteria, while vancomycin is active for methicillin-resistant S. aureus (MRSA). 3

In order for the prophylactic antibiotic to be effective, its concentration in the tissue must exceed the minimum inhibitory concentration (MIC) of the organism commonly causing the infection, within the period between incision and wound closure. 1 4 6 Recent studies have questioned whether the antibiotic concentration achieved in the tissue, with IV administration as prophylaxis, is adequate for bactericidal activity. 3

Young et al 7 have demonstrated that a higher concentration of prophylactic antibiotic in the tissue can be achieved with intraosseous regional administration (IORA) in patients submitted to knee surgeries, after placement of the tourniquet and before the incision in the skin. 1 3 7 A randomized study 3 with patients with total knee prosthesis compared IORA with IV and demonstrated that the IORA achieved tissue concentrations ten times higher than the IV ( Table 1 ). 3 7 8

Table 1

Antibiotic concentration per tissue (Wellman 3 )

Type of tissue	250 mg IORA of vancomycin	500 mg IORA of vancomycin	1 g EV of vancomycin	1 g IORA of cefazolin	1 g EV of cefazolin
Subcutaneous fat (ug/g)	14	44	3.2	186	11
Bone (ug/g)	16	38	4	130	11

Abbreviations: EV, endovenous; IORA, intraosseous regional administration.

Considering the greater risk of complications in infected patients, it is fundamental to develop more effective measures to help prevent infections. Thus, the present study aimed to characterize, from a practical and quantitative point of view, the use of IORA so that greater tissue concentration could be obtained during these types of surgeries.

The objective of the study is to demonstrate that the IO access results in a greater local concentration of prophylactic antibiotic in swine knee surgeries compared with the IV administration.

Materials and Methods

The present study was performed in the “Basis of Surgical Techniques” discipline, at the animal house facility, and it was approved by the Ethics Committee for the use of animals, according to the normative resolution number 007/12 (approval protocol number 030/2016). The animal model was developed with 36 pigs ( Sus scrofa domesticus ), male or female, at 3 months of age and weighing ∼ 16 kg.

The animals destined to the study were fed with Presuntina feed and drinking water ( provided by Sociedade de Abastecimento de Água e Saneamento S/A, SANASA) on demand, and they remained in individualized environments (stalls). The recommendations and norms prescribed by the Ethics Committee for the use of animals in scientific experiments and the protection of these animals were rigorously adopted and followed. All animals were sacrificed immediately after the procedures, also in accordance with the recommendations of the ethics committee.

For the experimental procedures, 3 groups were formed with 12 pigs each, and all of them were submitted to peripheral venous access, general anesthesia and orotracheal intubation, followed by antisepsis of the limb(s) treated with 2% aqueous chlorhexidine. In all pigs, the samples of material of the knee were taken in two moments. In each collection, two samples of skin were removed from the knee, two from the subcutaneous tissue of the knee, two from the cartilage of the tibial plateau, and two from the proximal end of the tibia. These samples followed the same pattern for removal (same equipment, similar size, same collection locations, and the same team). In addition, the instruments were cleaned with chlorhexidine, and the team wore clean surgical clothing and sterile gloves. In the first group, the control group (CG), only 0.9% saline solution was applied by the peripheral venous access (in the animal's ear). The first sample was collected 30 minutes after the end of the infusion, and the second, 1 hour after the end of the infusion. In the second group, the intraosseous group (IOG), a tourniquet was placed on the right lower limb (in the thigh) of the animal, and, afterwards, a 2 g cefazolin ampule diluted in 20 mL of 0.9% saline was dispensed intraosseously using the NIO Pediatric (PerSys Medical, Houston, TX, US) device in the medial region of the tibial plateau. The first collection was performed 30 minutes after the infusion of the antibiotic, and the second sample was collected 1 hour after the end of the infusion. In order to make a better analysis, a third group, the contralateral intraosseous group (CLIOG) was created, with samples collected at the same time as the IOG, but from the contralateral limb in which the IO antibiotic therapy had not been administered. In the fourth group (intravenous group, IVG) an ampule of 2 g cefazolin diluted in 250 mL of 0.9% saline solution was administered intravenously. The time elapsed between the beginning and the end of the infusion was, on average, 20 minutes. After 30 minutes of the end of the infusion of the antibiotic, the first collection of material was made, and the second sample was taken 1 hour after the end of the infusion ( Fig. 1 ). Mannitol salt agar plates were used for the analyses. These were incubated with S. aureus at a 4:1 dilution (4 parts of serum and 1 part of bacteria), and diluted with a sterile swab. Soon after the inoculation of the plates, tissue samples were inserted into them, and they were incubated at 37 ° C. After 24 hours of incubation, the halos were first analyzed. After the first analysis, the samples were incubated again for another 24 hours for the second analysis. 9 10 11 The formation of a red halo on the plates meant that the bacteria did not grow, so the medication in the tissue killed the bacteria that were in that location ( Fig. 2 ).

Fig. 1

Representative scheme of the collection flowchart. 1: SERUM IV. 2: 1 st collection. 3: 2 nd collection. 4: 1 st collection. 5: 2 nd collection. 6: 1 st collection. 7: 2 nd collection. 8: 1 st collection. 9: 2 nd collection.

Fig. 2

Mannitol salt plate with and without Staphylococcus aureus respectively.

Results

The results were obtained by multiplying the largest diameter with the smallest diameter in centimeters of the red halo formed around each tissue ( Fig. 3 ).

Fig. 3

Culture of bone tissue after 30 minutes of administration of cefazolin in 24-hour culture.

The statistical test applied was the Mann-Whitney test, a nonparametric test with independent samples. Out of the 240 samples analyzed, 5 were discarded due to contamination of the plates, which were distributed as follows: 59 in the CG, 60 in the IOG, 56 in the IOCLG, and 60 in the IVG. In each group, one sample of skin, subcutaneous tissue, cartilage and bone were taken after 30 minutes in the cefazolin, and another sample of the same tissues was taken after 1 hour.

All samples were measured and weighed to see if they had no difference in size or weight that could influence the size of the halo (larger samples would have larger halos). The sample sizes, which were measured after 24 and 48 hours ( p  = 0.715 and 0.977 respectively), and the weights, which were measured after 24 and 48 hours ( p  = 0.171 and 0.623 respectively), when compared between the groups, were not statistically different; therefore it was proved that they were homogeneous ( Fig. 4 ).

Fig. 4

Average per group concerning sample size and weight. 1: Control. 2: Sample size at 30 minutes. 3: Sample size at 60 minutes. 4: Sample weight at 30 minutes. 5: Sample weight at 60 minutes.

The analysis of the size of the halo, with the sum of all the tissues together, showed that the IOG had the highest mean (25.57 cm), and the CG had the lowest mean (1.81 cm). In the analysis of all tissues together, more bacteria were killed around the tissue in the IOG than in all of the other groups. The statistical analyses of the means of the groups in relation to the tissue types are illustrated in Table 2 and Fig. 4 .

Table 2

Analyses of the IOG in relation to the IOCLG and IVG

Group	p -value
Time 24 h/30 min
IOG x IOCLG	0.000000297
IOG x IVG	0.0000453
Time 24 h/1 h
IOG x IOCLG	0.00000182
IOG x IVG	0.0003722
Time 48 h/30 min
IOG x IOCLG	0.0042
IOG x IVG	0.005
Time 48 h/1 h
IOG x IOCLG	0.04
IOG x IVG	0.047

Abbreviations: IOCLG, intraosseous contralateral group; IOG, intraosseous group; IVG, intravenous group.

In order to know in which tissue the p -value was significant, we made an individual comparison by group and by tissue. There was no statistical significance when comparing the IOCLG and the IVG: all p -values, when compared with the individual tissues, were higher than 0.05. That is, the venous medication and the contralateral knee behaved in the same way. The CG only formed the halo in the skin tissues due to preoperative asepsis.

The IOG, when compared with the other groups, obtained a statistically significant result in all collections and at all time periods ( Table 2 ); the halo formed in the IOG was larger in all samples.

In the comparison by tissue type of the IOG and IOCLG, the IOG was superior in the first 24 hours of the collection of 30 minutes in the skin ( p  = 0.029), and in the subcutaneous tissue, it was also superior in the first 24 hours, both in the collection of 30 minutes and 1 hour ( p  = 0.016 and 0.017 respectively). In the cartilage, in the first 24 hours, both in the collection of 30 minutes and 1 hour, it was also statistically significant ( p  = 0.004 and 0.002 respectively). When comparing the bone tissue with the other tissues at all time periods, the IOG was higher ( Tables 3 and 4 ). In the analysis of the values of the tables, we observed that in both collections (30 minutes and 1 hour), after IO medication, the tourniquet kept the medication more concentrated in the knee of interest, that is, the medication was more concentrated in these tissues, killed more bacteria, and increased the halo formed around the sample. After 48 hours, the concentration of the antibiotic decreases and the bacteria can grow, arriving close to the tissue, but the bone tissue was the only statistically significant in both collections ( p  = 0.008 and 0.034 respectively). In the comparison by tissue type between the IOG and the IVG, the IOG was superior in the first 24 hours of the collection of 30 minutes in the skin, with p  = 0.049, but regarding the subcutaneous tissue, there was no statistical significance between the groups. In the cartilage, in the first 24 hours, both in the 30-minute and in the 1-hour collection, it was statistically significant ( p  = 0.018 and 0.014 respectively). When comparing the bone tissue, in the first 3 time periods, the IOG was superior, but in the second collection, with incubation of 48 hours, there was no statistical significance ( Table 5 ). We could observe that the halo of the bone tissue in the IOG was larger when compared with the other groups. This means that the concentration of antibiotics was higher in this tissue, it killed the bacteria around it, and increased the size of the halo, both in the collection after 30 minutes of the infusion and after 1 hour ( Fig. 5 ).

Table 3

Analysis of the IOG in relation to the tissues of the IOCLG

IOG x IOCLG	Tissue	p -value
Time24 h/30 min	SkinSubcutaneous	0.0290.016
	Cartilage	0.004
	Bone	0.002
Time24 h/1 h	SkinSubcutaneous	0.0520.017
	Cartilage	0.002
	Bone	0.002
Time48 h/30 min	SkinSubcutaneous	0.0960.476
	Cartilage	0.774
	Bone	0.008
Time48 h/1 h	SkinSubcutaneous	0.2750.655
	Cartilage	0.678
	Bone	0.034

Abbreviations: IOCLG, intraosseous contralateral group; IOG, intraosseous group.

Table 4

Comparison of means between the IOG and the IOCLG

Tissue	Sample 24 h/30 min	Sample 24 h/60 min	Sample 48 h/30 min	Sample 48 h/60 min
IOG skin	30.15	29.29	5.02	4.03
IOG subcutaneous	24.93	25.56	3.78	3.09
IOG cartilage	19.54	20.60	1.36	2.20
IOG bone	27.65	20.67	4.63	2.73
IOCLG skin	18.85	18.94	2.55	3.15
IOCLG subcutaneous	15.31	15.45	3.68	2.39
IOCLG cartilage	11.26	9.01	1.99	1.62
IOCLG bone	11.61	7.62	2.28	0.37

Abbreviations: IOCLG, intraosseous contralateral group; IOG, intraosseous group.

Table 5

Analysis of the IOG in relation to the tissues of the IVG

IOG x IVG	p -value
Time 24 h/30 min
Skin	0.049
Subcutaneous	0.178
Cartilage	0.018
Bone	0.002
Time 24 h/1 h
Skin	0.074
Subcutaneous	0.056
Cartilage	0.014
Bone	0.038
Time 48 h/30 min
Skin	0.174
Subcutaneous	0.440
Cartilage	0.678
Bone	0.006
Time 48 h/1 h
Skin	0.275
Subcutaneous	0.632
Cartilage	0.587
Bone	0.087

Abbreviations: IOG, intraosseous group; IVG, intravenous group.

Fig. 5

Comparison of the bone tissue between groups. 1: Control bone. 2: IO bone. 3: IOCL bone. 4: IV bone. 5: Sample at 30 minutes/24 hours. 6: Sample at 60 minutes/24 hours. 7: Sample at 30 minutes/48 hours. 8: Sample at 60 minutes/48 hours. 9: Category axis. 10: 30.00. 11: 22.50. 12: 15.00. 13: 7.50. 14: 0.00.

Discussion

Prophylactic antibiotics have been shown to reduce infection rates in arthroplasties, 1 7 and, to be effective, they must have adequate tissue concentrations at the operative site from incision until closure. 12 13 Although antibiotics, such as aminoglycosides and fluoroquinolones, are concentration-dependent, for b-lactam antibiotics such as cefazolin, the most important factor is the time beyond the MIC. As antibiotic resistance increases, the systemic administration of cephalosporins may no longer provide adequate tissue concentrations, whereas IORA reaches much higher tissue concentrations. 14 There is much evidence that prophylactic antibiotic therapy in osteomuscular surgeries, specifically in this case, in the knee, made by the IORA route, is more effective than when performed intravenously, as is conventionally done in Brazil.

This experimental study showed that the IORA provided greater bacterial inhibition, probably because it had a higher concentration of cefazolin present in the local tissues than the same dose of the antibiotic administered systemically, in the pig model, which was demonstrated by the growth of the staphylococci in Petri dishes; and that the IO plaques prevented, in greater quantity, the growth of S. aureus . Thus, it was deduced that the antibiotic concentration found in the tissues was higher in the IOG than in the IVG and IOCLG, which was also observed by Young et al. 1

In all of the tissues studied, the concentration of the antibiotics in the group submitted to the IORA was higher when compared with the CG. In the skin, the concentrations were higher in the samples collected 30 minutes after administration of the medication, and this is the main moment when the concentration peak is necessary at this location: skin incision at the beginning of the procedure. In the subcutaneous tissue, cartilage and bone, the bacterial growth remained close to the samples collected at 30 minutes when compared with those collected after 1 hour of administration of the medication.

When the group submitted to the IORA and the IVG were compared, the IORA group showed greater inhibition of the bacterial growth in the first 24 hours after the collection at 30 minutes in the skin, cartilage and bone, as well as in the collection after 1 hour in the cartilage and bone. The medication in the sample of the IOG lost effect only after 48 hours of incubation, as well as in the samples collected after 1 hour of the infusion of the medication, that is, the medication remained active longer than in the other groups. This is one of the most important data obtained in the present study, since the main focus of it is the prophylaxis in musculoskeletal surgeries of the knee.

Another important data analyzed were the superiority of the IOG when compared with the IOCLG. The latter showed the same bacterial growth as the IVG, and showed the efficacy of the IORA and of the tourniquet, which maintained high concentrations of cefazolin in the local tissues and disseminated little medication to the opposite knee. The IOG was superior to the IOCLG regarding all tissues, in the readings after 24 hours of the collection at 30 minutes, and in the subcutaneous tissue, the cartilage and the bone, regarding the collection at 1 hour. On the reading after 48 hours of incubation, in both these collections, bacterial inhibition was significant in the bone tissue, demonstrating that the concentration of the antibiotics remained in the IOG, while it fell in the IOCLG and IVG.

Some biases were also observed in the present work. Although we have attempted to use doses of equivalent antibiotics and to simulate the clinical situation of a surgical procedure, it is not clear how close this approach is to the clinical situation in humans. In addition, although the IO route is reported to have pharmacokinetics for both fluids and for medicines like the IO administration has, 15 its use for the regional administration is not so well known, and there are few published works on it.

Conclusion

In the present study, the IORA of preoperative prophylactic antibiotics showed higher local concentration in the samples collected and resulted in a greater inhibition of bacterial growth in the tissues compared with the IV route. Since complications are rare with this practice, the use of this pathway may be an option to reduce the risk of infection in the surgical site in orthopedic surgeries. Thus, this type of approach becomes increasingly pertinent in orthopedics, and may later help change standard prophylaxis protocols in joint surgeries to reduce postoperative infection, considering the benefits to the patient and to the health system. However, since the effectiveness of the method in pigs was demonstrated, further experimental studies on humans are required, as well as the development of future works to confirm whether this translates into better prevention of infection. We believe that the results obtained with the present project will contribute to a better understanding of both ways studied and their effectiveness, and may open perspectives in the use of the access in question.

Introdução

A infecção no sítio cirúrgico é uma causa significativa de morbimortalidade nas cirurgias articulares do joelho, e tem um impacto indireto na economia do país. 1 Pacientes infectados têm mais chance de óbito, de necessitar de cuidados intensivos, e de precisar de reabordagem. Enfermarias ortopédicas são classificadas como locais de alto risco para tal complicação, principalmente em pacientes submetidos a artroplastias. 2 Contudo, a administração do antibiótico profilático tem causado a diminuição das taxas de contaminação e de infecção, sendo o foco de muitas pesquisas atuais. 1 3

As bactérias mais comuns causadoras de contaminação e subsequente infecção nas artroplastias totais de joelho são os Staphylococcus aureus e estafilococos coagulase-negativos (ECNs). 3 4 5 A administração sistêmica do antibiótico de primeira geração das cefalosporinas e da vancomicina tem sido a recomendação mais aceita na profilaxia. As cefalosporinas têm um espectro de atividade contra ECNs, S. aureus sensíveis a meticilina (SASM) e algumas bactérias gram-negativas, enquanto a vancomicina é ativa para S. aureus resistente a meticilina (SARM). 3

Para que o antibiótico profilático seja eficaz, a sua concentração no tecido deve exceder a concentração mínima inibitória (CMI) do organismo comumente causador da infecção em um período entre a incisão e o fechamento da ferida. 1 4 6 Estudos recentes têm questionado se a concentração de antibiótico alcançada no tecido com a administração EV como profilaxia é adequada para a atividade bactericida. 3

Young et al 7 demonstraram que se pode alcançar maior concentração no tecido com a administração regional intraóssea (ARIO) de antibiótico profilático em pacientes submetidos a cirurgias no joelho, após a colocação do torniquete e antes da incisão na pele. 1 3 7 Um estudo 3 randomizado com pacientes com prótese total de joelho comparou a ARIO com a administração EV, e demonstrou que a ARIO alcançou concentrações teciduais dez vezes maiores do que a administração IV 3 7 8 ( Tabela 1 ).

Tabela 1

Concentração de antibiótico por tecido (Wellman 3 )

Tipo de tecido	250 mg de ARIO de vancomicina	500 mg de ARIO de vancomicina	1 g de vancomicina EV	1 g de ARIO de cefazolina	1 g de cefazolina EV
Gordura subcutânea (ug/g)	14	44	3,2	186	11
Osso (ug/g)	16	38	4	130	11

Abreviaturas: ARIO, administração regional intraóssea; EV, endovenoso.

Considerando o maior risco de complicações nos pacientes infectados, é fundamental o desenvolvimento de medidas mais eficazes que auxiliem na prevenção delas. Assim, o presente estudo buscou caracterizar, do ponto de vista prático e quantitativo, o uso do acesso IO regional para que se pudesse obter maior concentração no tecido durante esses tipos de cirurgias.

O objetivo do presente estudo é demonstrar que o acesso IO apresenta maior concentração local de antibiótico profilático em cirurgias no joelho suíno comparado com a administração EV.

Materiais e Métodos

Este estudo foi feito na Disciplina de Bases em Técnicas Operatórias no biotério, e foi aprovado pelo Comitê de Ética de Uso de Animais, de acordo com a resolução normativa n∘ 007/12 (protocolo de aprovação n∘ 030/2016). O modelo animal objeto do estudo foi desenvolvido com 36 porcos ( Sus scrofa domesticus ), machos ou fêmeas, com 3 meses de idade e peso aproximado de 16 kg.

Os animais destinados ao estudo foram alimentados com ração Presuntina e água potável (fornecida pela Sociedade de Abastecimento de Água e Saneamento S/A, Sanasa) sob demanda, e permaneceram em ambiente preparado (baias) individualizado. Foram rigorosamente adotadas e seguidas as recomendações e normatizações prescritas pelo Comitê de Ética para uso e proteção de animais em experimentos científicos. Todos foram sacrificados imediatamente após os procedimentos, também de acordo com as recomendações do Comitê de Ética.

Para os procedimentos experimentais, foram formados 3 grupos com 12 porcos, todos submetidos a acesso venoso periférico, anestesia geral e intubação orotraqueal, e, em seguida, antissepsia do(s) membro(s) abordado com clorexidina aquosa a 2%. Em todos os porcos, foram feitas coletas de material da região do joelho em dois momentos. Em cada coleta foram retiradas duas amostras de pele do joelho, duas de tecido subcutâneo do joelho, duas de cartilagem do planalto tibial, e duas de osso da extremidade proximal da tíbia. Tais amostras seguiram o mesmo padrão para retirada (mesmos equipamentos, tamanho semelhante, mesmos locais de retirada, e mesma equipe). Além disso, foram usados instrumentais limpos com clorexidina, e a equipe usou roupas cirúrgicas limpas e luvas estéreis. No primeiro grupo, o grupo de controle (GC), foi administrado apenas soro fisiológico a 0,9% pelo acesso venoso periférico (na orelha do animal). A primeira coleta foi feita 30 minutos após o término da infusão, e a segunda, após uma hora do término da infusão. No segundo, o grupo intraósseo (GIO), foi colocado torniquete no membro inferior direito (na coxa) de cada animal, e, depois, administrada uma ampola de cefazolina 2 g por via IO, diluída em 20 mL de soro fisiológico a 0,9%, por meio do dispositivo NIO Pediatric (PerSys Medical, Houston, TX, EUA) na região medial do planalto tibial. A primeira coleta foi feita 30 minutos após a infusão do antibiótico, e a segunda amostra foi coletada após uma hora do término da infusão. Para que se fizesse uma análise melhor, um terceiro grupo (grupo intraósseo contralateral, GIOCL) foi criado, com amostras coletadas ao mesmo tempo em que o GIO, porém no membro contralateral, em que não havia sido administrada antibioticoterapia IO. No quarto grupo (grupo intravenoso, GIV), foi administrada uma ampola de cefazolina 2 g por via EV, diluída em 250 mililitros de soro fisiológico a 0,9%. O tempo transcorrido entre o início e o término da infusão foi, em média, de 20 minutos. Após 30 minutos do término da infusão do antibiótico, foi feita a primeira coleta de material, e a segunda, 1 hora após o término da infusão ( Fig. 1 ). Para as análises, foram usadas placas de Ágar Sal Manitol, que foram incubadas com S. aureus na diluição de 4:1 (4 partes de soro para 1 parte de bactéria), e aplicou-se a diluição com swab estéril. Logo após a semeadura da placa, amostras dos tecidos foram inseridas nela, e incubadas a 37 ° C. Após 24 horas de incubação, foi feita a primeira análise dos halos. Após a primeira análise, as amostras tornaram a ser incubadas por mais 24 horas para a segunda leitura. 9 10 11 A formação de um halo vermelho nas placas significa que as bactérias não cresceram, ou seja, a medicação presente no tecido matou as bactérias que estavam naquele local ( Fig. 2 ).

Fig. 1

Esquema representativo do fluxograma das coletas.

Fig. 2

Placa de sal manitol sem e com Staphylococcus aureus respectivamente.

Resultados

Os resultados foram obtidos por meio da multiplicação do diâmetro maior com o diâmetro menor, em centímetros, do halo vermelho formado em torno de cada tecido ( Fig. 3 ).

Fig. 3

Cultura de tecido ósseo após 30 minutos de administração da cefazolina em cultura de 24 horas.

O teste estatístico aplicado foi o de Mann-Whitney, teste não paramétrico com amostras independentes. Foram analisadas 240 amostras (5 foram descartadas por contaminação das placas), que foram distribuídas da seguinte forma: 59 no GC; 60 no GIO; 56 no GIOCL; e 60 no GIV. De cada grupo foram retiradas duas amostras de pele: 1 de tecido subcutâneo, 1 de cartilagem e 1 de osso após 30 minutos de infusão de cefazolina, e outra de cada um dos mesmos tecidos após 1 hora.

Todas as amostras foram medidas e pesadas para ver se não tinham diferença de tamanho ou peso que poderia influenciar no tamanho do halo (amostras maiores teriam halos maiores). Os tamanhos das amostras, com leitura após 24 e 48 horas ( p  = 0,715 e 0,977, respectivamente), e os seus pesos, com leitura após 24 e 48 horas ( p  = 0,171 e 0,623, respectivamente), quando comparados entre os grupos, não revelaram diferença estatística; portanto, provou-se que as amostras eram homogêneas ( Fig. 4 ).

Fig. 4

Média por grupo referente ao tamanho e peso das amostras.

A análise do tamanho dos halos, com a soma de todos os tecidos juntos, mostrou que o GIO obteve a maior média (25,57 cm), e a menor média foi do GC (1,81 cm). Na análise de todos os tecidos juntos, o GIO matou maior número de bactérias em volta do tecido do que todos os outros grupos. As análises estatísticas das médias dos grupos em relação aos tipos de tecidos analisados estão ilustradas na Tabela 2 e na Figura 4 .

Tabela 2

Análise do GIO em relação ao GIOCL e ao GIV

Grupo	Valor de p
Tempo 24 h/30 min
GIO x GIOCL	0,000000297
GIO x GIV	0,0000453
Tempo 24 h/1 h
GIO x GIOCL	0,00000182
GIO x GIV	0,0003722
Tempo 48 h/30 min
GIO x GIOCL	0,0042
GIO x GIV	0,005
Tempo 48 h/1 h
GIO x GIOCL	0,04
GIO x GIV	0,047

Abreviaturas: GIO, grupo intraósseo; GIOCL, grupo intraósseo contralateral; GIV, grupo intravenoso.

Para saber em qual tecido o valor de p foi significativo, fizemos a comparação individual por grupo e por tecido. Não ocorreu significância estatística quando comparados o GIOCL e o GIV; todos os valores de p , quando comparados com os tecidos individualmente, foram maiores do que 0,05. Ou seja, a medicação venosa e o joelho contralateral se comportaram da mesma forma. O GC só formou o halo nos tecidos da pele devido à assepsia pré-operatória.

O GIO, quando comparado aos outros grupos, obteve resultado estatístico significativo em todas as coletas e em todos os tempos ( Tabela 2 ); o halo formado pelo GIO foi maior em todas as amostras.

Na comparação por tipo de tecido do GIO com o GIOCL, o GIO se mostrou superior nas primeiras 24 horas da coleta de 30 minutos na pele ( p  = 0,029), e, no tecido subcutâneo, também se mostrou superior nas primeiras 24 horas, tanto na coleta de 30 minutos quanto na de 1 hora ( p  = 0,016 e 0,017, respectivamente). Na cartilagem, nas primeiras 24 horas, tanto na coleta de 30 minutos quanto na de 1 hora, também foi significante estatisticamente ( p  = 0,004 e 0,002 respectivamente). Quando comparado o tecido ósseo com os outros tecidos, em todos os tempos, o GIO foi superior ( Tabelas 3 e 4 ). Na análise dos valores das tabelas, observamos que em ambas as coletas (30 minutos e 1 hora), após medicação IO, o torniquete manteve a medicação mais concentrada no joelho de interesse, ou seja, a medicação estava mais concentrada nesses tecidos, matou maior número de bactérias, e aumentou o halo formado em volta. Após 48 horas, a concentração do antibiótico diminui, as bactérias conseguem crescer, e chegam próximo ao tecido; porém, o tecido ósseo foi o único estatisticamente significativo em ambas as coletas ( p  = 0,008 erro padrão [EP] = 0,034). Na comparação por tipo de tecido do GIO com o GIV, GIO se mostrou superior nas primeiras 24 horas da coleta de 30 minutos na pele, com p  = 0,049, e, no tecido subcutâneo, não houve significância estatística entre os grupos. Na cartilagem, nas primeiras 24 horas, tanto na coleta de 30 minutos quanto na de 1 hora, foi significante estatisticamente ( p  = 0,018 e 0,014, respectivamente).Quando comparado o tecido ósseo, nos três primeiros tempos, o GIO foi superior, porém, na segunda coleta, com incubação de 48 horas, não ocorreu significância estatística ( Tabela 5 ). Observamos que o halo do tecido ósseo no GIO foi maior quando comparado com todos os grupos. Isso significa que a concentração de antibiótico foi maior nesse tecido, matou as bactérias em volta dele, e aumentou o tamanho do halo, tanto na coleta após 30 minutos da infusão quanto após 1 hora ( Fig. 5 ).

Tabela 3

Análise do GIO e do GIOCL em relação aos tecidos

GIO x GIOCL	Tecido	Valor de p
Tempo24 h/30 min	PeleSubcutâneo	0,0290,016
	Cartilagem	0,004
	Osso	0,002
Tempo24 h/1 h	PeleSubcutâneo	0,0520,017
	Cartilagem	0,002
	Osso	0,002
Tempo48 h/30 min	PeleSubcutâneo	0,0960,476
	Cartilagem	0,774
	Osso	0,008
Tempo48 h/1 h	PeleSubcutâneo	0,2750,655
	Cartilagem	0,678
	Osso	0,034

Abreviaturas: GIO, grupo intraósseo; GIOCL, grupo intraósseo contralateral.

Tabela 4

Comparação das médias entre o GIO e o GIOCL

Tecido	Amostra 24 h/30 min	Amostra 24 h/60 min	Amostra 48 h/30 min	Amostra 48 h/60 min
GIO pele	30,15	29,29	5,02	4,03
GIO subcutâneo	24,93	25,56	3,78	3,09
GIO cartilagem	19,54	20,60	1,36	2,20
GIO osso	27,65	20,67	4,63	2,73
GIOCL pele	18,85	18,94	2,55	3,15
GIOCL subcutâneo	15,31	15,45	3,68	2,39
GIOCL cartilagem	11,26	9,01	1,99	1,62
GIOCL osso	11,61	7,62	2,28	0,37

Abreviaturas: GIO, grupo intraósseo; GIOCL, grupo intraósseo contralateral.

Tabela 5

Análise do GIO e do GIV em relação aos tecidos

GIO x GIV	Valor de p
Tempo 24 h/30 min
Pele	0,049
Subcutâneo	0,178
Cartilagem	0,018
Osso	0,002
Tempo 24 h/1 h
Pele	0,074
Subcutâneo	0,056
Cartilagem	0,014
Osso	0,038
Tempo 48 h/30 min
Pele	0,174
Subcutâneo	0,440
Cartilagem	0,678
Osso	0,006
Tempo 48 h/1 h
Pele	0,275
Subcutâneo	0,632
Cartilagem	0,587
Osso	0,087

Abreviaturas: GIO, grupo intraósseo; GIV, grupo intravenoso.

Fig. 5

Comparação do tecido ósseo entre os grupos.

Discussão

Foi comprovado que os antibióticos profiiláticos reduzem as taxas de infecção nas artroplastias, 1 7 e, para serem eficazes, devem ter concentrações teciduais adequadas no local operatório desde a incisão até o fechamento. 12 13 Embora antibióticos, como os aminoglicósidos e as fliuoroquinolonas, sejam dependentes da concentração, para os antibióticos b-lactâmicos, tais como a cefazolina, o fator mais importante é o tempo acima da CIM. À medida que a resistência aos antibióticos aumenta, a administração sistêmica das cefalosporinas pode já não proporcionar concentrações adequadas nos tecidos, enquanto ARIO atinge concentrações teciduais muito mais elevadas. 14 Há muitas evidências de que a antibioticoterapia profilática nas cirurgias osteomusculares, especificamente neste caso, no joelho, feita por via IO regional, tem se mostrado mais eficaz do que quando feita por via EV, como é feito convencionalmente no Brasil.

Este estudo experimental mostrou que a ARIO proporcionou maior inibição bacteriana, provavelmente por ter maior concentração da cefazolina, presente nos tecidos locais, do que a mesma dose do antibiótico administrada sistemicamente, em modelo suíno, demonstrado por meio do crescimento de estafilococos nas placas de Petri; e as placas de IO impediram, em maior quantidade, o crescimento do S. aureus . Assim, foi deduzido que a concentração do antibiótico encontrada nos tecidos foi superior no GIO em relação ao GIV e ao GIOCL, como observado também por Young et al. 1

Em todos os tecidos estudados, a concentração do antibiótico no grupo que recebeu a ARIO foi superior quando comparado com o GC. Na pele, as concentrações foram mais elevadas nas amostras coletadas aos 30 minutos da administração da medicação, sendo o principal momento em que é necessário o pico de concentração nesse local – incisão da pele no início do procedimento. No tecido subcutâneo, na cartilagem e no osso, o crescimento bacteriano se manteve próximo das amostras coletadas aos 30 minutos quando comparadas com as coletadas após 1 hora da administração da medicação.

Quando comparados os grupos de ARIO e EV, o grupo de ARIO mostrou maior inibição de crescimento bacteriano nas primeiras 24 horas após coleta de 30 minutos na pele, na cartilagem e no osso, e na coleta após 1 hora na cartilagem e no osso. A medicação na amostra do GIO perdeu efeito somente após 48 horas de incubação, e, nas amostras coletadas após 1 hora da infusão da medicação, ou seja, a medicação permaneceu mais tempo ativa do que nos outros grupos. Esse é um dos dados mais importantes obtidos no estudo, visto que o foco principal buscado é a profilaxia em cirurgias osteomusculares do joelho.

Outro dado importante analisado foi a superioridade do GIO em comparação com o GIOCL. Esse grupo apresentou o mesmo crescimento bacteriano do que o GIV, e mostrou a eficácia da ARIO e do uso de torniquete, que manteve a concentração de cefazolina alta nos tecidos locais, e disseminou pouca medicação para o joelho oposto. O GIO foi superior ao GIOCL em todos os tecidos, nas leituras após 24 horas na coleta de 30 minutos, e no tecido subcutâneo, na cartilagem e no osso, na coleta de uma hora. Na leitura após 48 horas de incubação, em ambas as coletas, a inibição bacteriana foi significativa no tecido ósseo, e mostrou que a concentração do antibiótico se manteve no GIO, enquanto no GIOCL e no GIV ela caiu.

Foram também observados alguns vieses neste trabalho. Embora tenhamos tentado usar as doses de antibióticos equivalentes e simular a situação clínica de um procedimento cirúrgico, não está claro o quanto esse modelo se aproxima da situação clínica em humanos. Além disso, embora a via IO seja relatada como tendo farmacocinética tanto para fluidos quanto para medicamentos semelhantes à administração IV, 15 seu uso para a administração regional não é tão bem conhecido, e tem poucos trabalhos publicados.

Conclusão

Neste estudo, a ARIO pré-operatória de antibiótico profilático apresentou maior concentração local nas amostras coletadas, e resultou em uma maior inibição do crescimento bacteriano nos tecidos, em comparação com a via endovenosa. Visto que as complicações dessa prática são raras, o uso dessa via pode ser uma opção para a diminuição do risco de infecção do sítio cirúrgico nas cirurgias ortopédicas. Com isso, esse tipo de enfoque se torna cada vez mais pertinente na ortopedia e pode, posteriormente, auxiliar na mudança de protocolos de padrões de profilaxia em cirurgias articulares, com vistas à diminuição da infecção pós-operatória, considerando os benefícios para o paciente e para o sistema de saúde. Contudo, estando comprovada a eficácia do método em porcos, são necessários novos estudos experimentais em humanos, assim como o desenvolvimento de trabalhos futuros para confirmar se isso se traduz em melhor prevenção da infecção. Acreditamos que os resultados obtidos com este projeto irão contribuir para um melhor entendimento de ambas as vias estudadas e de suas eficácias, podendo abrir perspectivas para o uso do acesso em questão.