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. 2021 Oct 28;56(5):621–627. doi: 10.1055/s-0041-1729941

Infection after primary total knee arthroplasty: a randomized controlled prospective study of the addition of antibiotics to bone cement *

Hugo Alexandre de Araujo Barros Cobra 1,, Alan de Paula Mozella 1, Pedro José Labronici 2, Amanda S Cavalcanti 3, João Antonio Matheus Guimarães 3
PMCID: PMC8558932  PMID: 34733434

Abstract

Objective  The present prospective, randomized and controlled study was conducted with 286 patients submitted to primary total knee arthroplasty (TKA) with the objective of evaluating the efficacy of the addition of antibiotics to bone cement as a way to prevent post arthroplasty infection (PAI).

Methods  The patients were randomized into two groups: bone cement without antibiotic (No ATB, n  = 158) or cement with antibiotic (ATB, n  = 128), in which 2 g of vancomycin was added to 40 g of cement. The patients were followed up for 24 months after surgery.

Results  Regarding preoperative demographic data, the distribution of patients between groups was homogeneous ( p  < 0.05). In the 24-month period, the overall infection rate was of 2.09% (6/286), with no difference (odds ratio [OR] = 1.636; 95% confidence interval [CI]: 0.294–9.080; p  = 0.694) between the ATB group (1.56%; 2/128) and the No ATB group (2.53%; 4/158). In the No ATB group, the infection was caused by methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) ( n  = 2), methicillin-sensitive S. aureus (MSSA) ( n  = 1) and Eschirichia coli ( n  = 1). Proteus mirabilis and MSSA were isolated from patients in the ATB group. Among the comorbidities, all patients with PAI were hypertensive and nondiabetic. Two rheumatoid arthritis patients who developed PAI were from the ATB group.

Conclusion  The use of cement with ATB reduced the absolute number of infections, but without statistical difference between the groups; thus, routine use should not be encouraged.

Keywords: antibiotic; arthroplasty, replacement, knee; bone cements; prosthesis-related infections

Introduction

Deep infection after total knee arthroplasty (TKA) is one of the most devastating complications and it generates great frustration for both the patient and the surgeon. Its incidence varies between 0.5 and 2%, 1 2 but it is the most common etiology (20.4%) in the TKA revisions in the United States. 3 Data from a Brazilian center show that infection is responsible for 49% of early failures and for 25% of late failures. 4

Despite their relatively low incidence, post-arthroplasty infections (PAIs) and their treatment have great economic impact. The cost of a single treatment can range from US$ 30,000 to US$ 50,000; and treating serious infections caused by resistant microorganisms can cost up to US$ 100,000. 5 The cost of treating a periprosthetic infection in the Brazilian public system is estimated at ∼ BRL 55,000 (∼ US$ 14,000). 6

As a measure to prevent infection in TKA, the American Academy of Orthopedic Surgeons (AAOS) recommends systemic antimicrobial prophylaxis 1 hour before surgical incision. However, the drug does not readily reach the implant-tissue interface. Thus, local administration of systemic antibiotics is recommended by some authors to provide higher in situ antibiotic concentrations, with lower risk of systemic toxicity. 7

The manual mixing of the antibiotic powder with bone cement during surgery or the commercially available premixed product are the most commonly used methods for local antibiotic intake. 8 Alternatively, other authors suggest the application of antibiotic powder directly to the surgical wound, the so-called intrawound antimicrobial prophylaxis. However, there is still no consensus in the literature regarding the effectiveness of these methods, and more evidence with prospective studies is necessary. 9 10 11

From the clinical point of view, the use of antibiotic-impregnated cement reduced septic and aseptic failure rates in TKA. 8 10 12 With a 60.6% reduction in the occurrence of infections and savings of EU801,00 per patient, its cost-benefit was considered favorable. 13 Conversely, a systematic review with > 34,000 patients undergoing TKA showed that the use of antibiotics did not reduce the prevalence of PAI and may be an unnecessary cost to the health system. 14 Given the controversial evidence, we investigated the efficacy of adding antibiotics to bone cement in primary TKA as a way to prevent deep infection.

Material and Methods

Selection criteria

The present study was approved by the Research Ethics Committee (CAAE 0036.0.305.00-10). All volunteers consented in writing before being included in the study. Patients with primary and secondary osteoarthritis (OA) with indication for TKA were included. There was no age limit and no restriction on gender. The exclusion criteria were patients submitted to unicompartmental knee arthroplasty, revision arthroplasty or any previous joint surgery, and patients with evidence of joint infection or congenital or acquired coagulopathies, as well as a previous history of allergy to vancomycin.

Study groups

All patients ( n  = 286) submitted to TKA between July, 2010 and December, 2013 were prospectively recruited. The patients were submitted to primary TKA with Press Fit Condylar Sigma prosthesis (DePuy-Synthes, West Chester, PA, USA) and randomized according to the use of antibiotics in bone cement. In 158 patients, called the No ATB group, conventional bone cement (DePuy-Synthes) was used, and in 128 patients, 2 g of vancomycin was added to every 40 g of bone cement, and they were called the ATB group. Patients with medical records with an uneven ID number were allocated to the No ATB group, and patients with an even medical records ID number were allocated to the ATB group.

Surgical technique

All patients were submitted to spinal anesthesia and peripheral block of the sciatic and femoral nerves with the aid of electrostimulation. The procedures were performed with or without ischemia, with pneumatic tourniquet of inflated thigh with a pressure of 300 mmHg. The cement/antibiotic mixture was prepared according to McLaren et al. 12 by the main surgeon during the surgical procedure ( Supplementary Figure S1 ). A single 4.8 mm drain (Hemovac, Zimmer) was maintained in all patients for 24 hours. All surgeries were performed in a single institution by two surgeons who were members of the Brazilian Society of Orthopedics and Traumatology and of the Brazilian Knee Society (Cobra H. A. A. B. and Mozella A. P.).

Postoperative care

All patients received 2 g of intravenous cefazolin supplemented with 2 additional doses of 1g every 8 hours. The prevention of thromboembolic events was performed with a single daily dose of 40 mg subcutaneous low molecular weight heparin (Clexane, Sanofi Aventis, Paris, France) started 12 hours after the end of surgery and maintained for 10 days.

Diagnosis of infection

The diagnosis of infection was based on the criteria defined by Parvizi et al., 15 16 considering the clinical findings, the increase in C-reactive protein levels, an increase in the speed of hemosedimentation, and positive microbiological culture of tissue fragments obtained in the intraoperative period. The presence of flushing, erythema and pain associated or not with fever were considered positive clinical signs of infection. Once the patient underwent the first stage of the revision surgery, three femur fragments, three tibia and soft tissue fragments for microbiological culture were collected. The diagnosis of infection was established when bacterial growth of the same microorganism occurred in at least two samples.

Follow-up

The patients were evaluated at 15 days, and at 2, 6, 12 and 24 months after surgery at the outpatient clinic of the institution. The occurrence of postoperative complications, such as time and presence of superficial or deep infection, skin necrosis, deep vein thrombosis, acute myocardial infarction, and symptomatic allergic reactions were investigated.

Statistical analysis

The distribution analysis of the numerical data was performed by the Shapiro-Wilk test. The Student and Mann-Whitney t -tests were applied to the variables with normal and non-normal distribution, respectively. The significance of 5% was adopted. Categorical data were analyzed by the Fisher chi-squared or exact test. GraphPad Prism version 7.00 for Windows (GraphPad Software, San Diego, CA, USA) was used.

Results

Characteristics of the patients

Preoperative data were analyzed to verify the randomization of individuals in the treatment groups. The study groups were homogeneously distributed without differences in gender ( p  = 0.221), American Society of Anesthesiologists (ASA) score ( p  = 0.348), age (68 versus 66 years old; p  = 0.429), body mass index (BMI) (30.4 versus 29.3 ; p  = 0.579), plasma globulin levels (2.8 versus 2.7; p  = 0.566), plasma albumin levels (3.5 versus 3.3; p  = 0.555), duration of surgery (90 versus 85 minutes; p = 0.087), for the groups with and without ATB, respectively ( Tables 1 and 2 ).

Table 1. Numerical clinical data of patients submitted to total primary knee arthroplasty with Press Fit Condylar Sigma prosthesis (DePuy-Synthes, West Chester, PA, USA).

ATB group ( n  = 128) No ATB group ( n  = 158) p-value
Median IQR Min. Max. Median IQR Min. Max.
Age (years old) 680 61.0 73.0 33.0 83.0 66.0 61.0 72.3 30.0 82.0 0.429 a
BMI (kg/m 2 ) 30.4 26.8 32.6 15.0 43.8 29.3 25.7 33.2 18.0 44.9 0.597 a
Globulin (g/dL) 2.8 2.2 3.2 0.4 4.5 2.7 2.1 3.3 0.06 5.5 0.566 b
Albumin (g/dL) 3.5 3.2 4.0 1.9 7.1 3.6 3.3 3.9 2.2 6.9 0.555 a
Duration of surgery (minutes) 90.0 78.0 105.5 40.0 150 85.0 72.0 100.0 46.0 147.0 0.087 a

Abbreviations: ATB, antibiotic; BMI, body mass index; IQR, interquartile range; min., minimum; max., max.

The patients were randomized into two groups: bone cement without antibiotics (No ATB, n  = 158) or cement with antibiotic (ATB, n  = 128), in which 2g of vancomycin was added to 40g of cement.

a

Mann-Whitney nonparametric test

b

Student's T test unpaired.

Table 2. Categorical clinical data of patients undergoing total primary knee arthroplasty with Press Fit Condylar Sigma prosthesis (DePuy-Synthes, West Chester, PA, USA).

ATB
( n  = 128)
No ATB
( n  = 158)
 p-value
Gender
 Male 21.8% (28/128) 15.8% (25/158)  0.221 a
 Female 78.1% (100/128) 84.1% (133/158)
ASA
 1 6.2% (8/128) 5.1% (8/158)  0.348 b
 2 92.2% (118/128) 90.5% (143/158)
 3 2.3% (3/128) 3.2% (5/158)
Diagnosis
 Osteoarthritis 78.9% (101/128) 70.2% (111/158)  0.911 b
 Rheumatoid arthritis 19.5% (25/128) 15.2% (24/158)
 Other 1.6% (2/128) 1.3% (2/158)
Comorbidities
 Diabetes mellitus 2.3% (3/128) 1.9% (3/158)  0.653 a
 Systemic arterial hypertension 57.8% (74/128) 59.5 (94/158)
 Both 18.0% (23/128) 20.3% (32/158)
 No 21.9% (28/128) 18.4% (29/158)

Abbreviations: ATB, antibiotic; ASA, surgical risk classification according to the American Society of Anesthesiology; Other, osteonecrosis, hemophilia or sequelae of trauma.

The patients were randomized into two groups: bone cement without antibiotics (No ATB, n  = 158) or cement with antibiotic (ATB, n  = 128), in which 2 g of vancomycin was added to 40 g of cement.

a

Fisher's Exact Test

b

Chi-Squared Test.

From the 286 patients undergoing TKA, 212 (70.6%) had primary OA, 101 (78.9%) in the ATB group and 111 (70.2%) in the No ATB group. Osteoarthritis secondary to rheumatoid arthritis was the diagnosis in 25 (19.5%) patients in the ATB group and in 24 (15.2%) patients in the No ATB group. Two patients in the ATB group developed OA secondary to osteonecrosis, and two other patients in the No ATB group developed OA secondary to trauma. Regarding the presence of comorbidities, 3 patients in the No ATB group had diabetes mellitus (DM), 94 had systemic arterial hypertension (SAH), and 32 had the association of the 2 comorbidities. In the ATB group, 3 were diabetic, 74 were hypertensive, and 23 had the association between DM and SAH. There was no difference between the groups for the presence of DM ( p  = 0.706), SAH ( p  = 0.474) or both conditions in association ( p  = 0.654). Serum albumin < 3.5 g/dL levels were observed in 96 of the 286 patients. The diagnostic prevalence and distribution of comorbidities were similar between the groups ( Table 2 ).

Post knee arthroplasty infection in patients who used cement with or without antibiotics

In the 24 months of follow-up, the percentage of infection was 2.09% (6/286), with no difference (odds ratio [OR] = 1.636; 95% confidence interval [CI]: 0.294–9.080; p  = 0.694) between the ATB group (1.56%; 2/128) and the No ATB group (2.53%; 4/158) ( Figure 1 ). The mean time between surgery and diagnosis of infection was 250 days (27–158 days). One patient developed infection within 915 days. Exceptionally, this patient was not excluded from the study, because he was from another state and was in the out-of-home (OOH) treatment program of the Brazilian Unified Health System (SUS, in the Portuguese acronym), which led to his delay in returning. Patients who evolved with PAI underwent revision surgery. The mean length of hospital stay after the review was 46.6 days (16–90 days).

Fig. 1.

Fig. 1

Infection after knee arthroplasty in patients undergoing total primary knee arthroplasty with Press Fit Condylar Sigma prosthesis (DePuy-Synthes, West Chester, PA, USA). The patients were randomized into 2 groups: bone cement without antibiotics (No ATB, n  = 158) or cement with antibiotic (ATB, n  = 128), in which 2 g of vancomycin was added to 40g of cement.

Among the six patients who developed infection, all were hypertensive, and none were diabetic and/or obese. In the ATB group, 2 of the 25 patients with OA secondary to RA developed infection. In the No ATB group, among the four infected patients, none of them had AR. One patient in each group had serum albumin levels < 3.5 g/dL.

In the No ATB group, the infection was caused by methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) ( n  = 2), methicillin-sensitive S. aureus (MSSA) ( n  = 1) and Escherichia coli ( n  = 1). In the ATB group, MSSA was isolated in one of the patients, and Proteus mirabilis in the other. The earliest infection was detected 27 days after TKA, and the later, in 915 days (OOH patient), both caused by MRSA ( Table 3 ).

Table 3. Profile of infection after total knee arthroplasty with bone cement without antibiotic (No ATB, n  = 158) or with bone cement plus antibiotic (ATB, n  = 128), in which 2 g of vancomycin was added to 40 g of cement .

Patient Group Time to diagnosis of infection (days) Microorganism
1 No ATB 915 MRSA
2 No ATB 449 MSSA
3 No ATB 29 Escherichia Coli
4 No ATB 27 MRSA
5 ATB 46 MSSA
6 ATB 39 Mirabilis

Abbreviations: ATB, antibiotic; MRSA, methicillin-resistant Staphylococcus aureus; MSSA, Staphylococcus aureus susceptible to methicillin.

No local or systemic allergic reactions or adverse events have been reported.

Discussion

The results of the present prospective randomized study with 286 patients submitted to primary TKA with and without the addition of antibiotics to bone cement showed that the use of bone cement impregnated with vancomycin reduced the absolute number of deep infections, but without statistical significance. The use of the antibiotic was also not related to the occurrence of adverse reactions.

In our study, the overall infection rate was similar to the infection rate reported in the literature (0.5 to 2%). 1 2 17 Few randomized prospective studies have evaluated the effects of antibiotic-impregnated bone cement on infection rates. A prospective randomized study with 340 patients found that the addition of cefuroxime (2 g / 40 g) was effective in preventing deep infections (0 versus 3.1%; p  = 0.024). 10 Another study with 1,625 patients revealed no difference between the use of a commercial formulation containing tobramycin (2.2%; 18/814) and the control group (3.1%; 25/811). 18 In another cohort study, the use of bone cement with gentamicin did not reduce the infection rate, even in patients considered part of a risk group. 5 In the present study, most infections occurred within the first 60 days after surgery. We cannot exclude the hypothesis that the 2 longest infections that occurred within 449 and 915 days and were caused by S. aureus are a consequence of acute hematogenous infection.

Diabetic patients are 1.28 times more likely to be infected. 19 Although Chiu et al. 20 have shown the efficacy of using cement with cefuroxime in the prevention of deep infection in primary TKA in diabetic patients, Namba et al. 21 did not observe a reduction in the infection rate in these patients. In the sample of our study, 37 diabetic patients were included in the No ATB group and 29 in the ATB group, but none of them developed infection. It is possible that the rigid preoperative control of blood glucose contributed to this finding. Although it is not possible to establish, from our results, a protocol for the use of antibiotics in bone cement in primary TKA in patients considered at risk, its use is supported by the literature. 7.22

Morbid obesity (BMI ≥ 40 Kg/m 2 ) and obesity (BMI > 30 Kg/m 2 ) combined with diabetes are risk factors for PAI after TKA. 23 In a series with ∼ 7,000 primary TKAs, the infection rate was of 0.37% in patients with normal BMI and of 4.66% in the morbidly obese group. 24 In our sample, none of the obese patients developed infection.

Serum albumin concentration is one of the most relevant and simple indicators of nutritional status assessment. 25 The recommended parameter for patients undergoing arthroplasties is between 3.5 g/dL and 5.0 g/dL. 26 From the patients with serum albumin level < 3.5 g/dL, 1 of each group presented PAI. In Brazil, the prevalence of malnutrition in patients hospitalized in the SUS is high. 27 In the future, it would be interesting to investigate the impact of malnutrition and protein deficiency, as well as the cost associated with malnutrition.

Similarly, surgery time is considered a risk factor for periprosthetic infection, especially when it exceeds 210 minutes. 17 The mean surgery time was 85 minutes in the No ATB group and 90 minutes in the ATB group; the small difference can be explained by the extra time required to mix the cement with the antibiotic. Even so, the maximum time spent in this group was 150 minutes, much less than the 210 established as a limit in the literature. Surgeons should consider this aspect in planning the surgery or even consider the use of bone cement premixed with antibiotics.

Regarding safety, local use of antibiotics requires caution due to the potential risk of toxicity, allergic reactions, resistant microorganisms, and decreased mechanical resistance. 18 In the present study, we did not observe local or systemic allergic reactions or adverse events attributable to the antibiotic. It is important to note that the choice of vancomycin was based on a recommendation from the Hospital Infection Control Commission, due to the greater sensitivity of bacterial microbiota associated with post-TKA infections to this antibiotic. Although the addition of > 0.5 g of vancomycin affects the mechanical properties of bone cement, doses < 2 g lose their antimicrobial property. 28 Further studies should be conducted to determine the effect of vancomycin on the mechanical properties and elution of the antibiotic on DePuy-Synthes bone cement, used here. These results do not rule out the influence of other factors on PAI after primary TKA in our sample population – a tertiary public orthopedic center. Infection rates can be controlled through stricter patient care measures, and there is not a single determining factor for periprosthetic infection, but a set of factors. 29 Thus, in the future, the analysis by subgroups, such as RA, obese and transfused patients, may guide the surgeon's decision-making on the use of antibiotics in primary TKA in our population.

We considered as a strong point of the present study the long follow-up time (24 months) without loss to follow-up. However, we recognize as limitations not having performed the sample calculation, which made it impossible to analyze not only subgroups by comorbidities, but also other factors, such as ischemia, transfusion, and nutritional aspects. Additional prospective studies with larger Brazilian sample sizes and based on the most recent infection diagnostic criteria are required. 30 Another point to be considered is that microbiological analysis of the prosthesis explanted by the sonication method was not performed. This analysis could increase the sensitivity of the diagnosis of infection. In addition, the cost-benefit ratio of bone cement impregnated with antibiotics should also be investigated. As far as we know, only 1 study, including 34 patients, evaluated the economic impact of periprosthetic knee joint infection in Brazilian hospitals. The total additional cost was estimated at US$ 91,843.75, 31 while 2 g of Vancomycin cost ∼ BRL120 (∼ US$ 30.00) in the Brazilian market. Another study estimated the cost of treating hip arthroplasty infection at BRL 55,821.62 (∼ US$ 14,561) per patient. 6

Conclusion

Finally, the use of antibiotic-impregnated cement should not be encouraged in primary total knee arthroplasties. We believe that our results may direct the conduct of orthopedic surgeons and contribute to the reduction of inappropriate use of antibiotics.

Funding Statement

Suporte Financeiro Não houve suporte financeiro de fontes públicas, comerciais, ou sem fins lucrativos.

Conflito de interesses Os autores declaram não haver conflito de interesses.

*

Trabalho desenvolvido no Instituto Nacional de Traumatologia e Ortopedia (INTO), Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

*

Study developed at the Instituto Nacional de Traumatologia e Ortopedia (INTO), Rio de Janeiro, RJ, Brazil.

Supplementary Material

10-1055-s-0041-1729941-s200265pt.pdf (491.4KB, pdf)

Figura Suplementar

Figura Suplementar

10-1055-s-0041-1729941-s200265en.pdf (490.1KB, pdf)

Supplementary Figure

Supplementary Figure

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Infecção após artroplastia total primária de joelho: estudo randomizado prospectivo controlado da adição de antibiótico ao cimento ósseo *

Resumo

Objetivo  O presente estudo prospectivo, randomizado e controlado foi realizado com 286 pacientes submetidos à artroplastia total primária do joelho (ATJ) com o objetivo de avaliar a eficácia da adição de antibiótico ao cimento ósseo como forma de prevenção da infecção pós-artroplastia (IPA).

Métodos  Os pacientes foram randomizados em dois grupos: cimento ósseo sem antibiótico (Sem ATB, n  = 158) ou cimento com antibiótico (Com ATB, n  = 128), ao qual foram adicionados 2 g de Vancomicina para 40 g de cimento. Os pacientes foram acompanhados por 24 meses após a cirurgia.

Resultados  No que diz respeito aos dados demográficos pré-operatórios, a distribuição dos pacientes entre os grupos foi homogênea ( p  < 0,05). No período de 24 meses, a taxa global de infecção foi de 2,09% (6/286), não havendo diferença (odds ratio [OR] = 1,636; intervalo de confiança [IC] 95%: 0,294–9,080; p  = 0,694) entre o grupo Com ATB (1,56%; 2/128) e Sem ATB (2,53%; 4/158). No grupo Sem ATB, a infecção foi causada por Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA, na sigla em inglês) ( n  = 2), S. aureus sensível à meticilina (MSSA, na sigla em inglês) ( n  = 1) e Eschirichia coli ( n  = 1). Proteus mirabilis e MSSA foram isolados dos pacientes do grupo Com ATB. Dentre as comorbidades, todos os pacientes com IPA eram hipertensos e não diabéticos. Dois pacientes com artrite reumatoide que desenvolveram IPA eram do grupo Com ATB.

Conclusão  O uso de cimento com ATB reduziu o número absoluto de infecções; porém, sem diferença estatística entre os grupos. Desta forma, o uso rotineiro não deve ser encorajado.

Palavras-chave: antibiótico, artroplastia do joelho, cimentos ósseos, infecções relacionadas à prótese

Introdução

A infecção profunda após artroplastia total do joelho (ATJ) é uma das complicações mais devastadoras e que gera grande frustação tanto para o paciente quanto para o cirurgião. Sua incidência varia entre 0,5% e 2% 1 2 , porém é a etiologia mais comum (20,4%) das revisões de ATJ no Estados Unidos. 3 Dados de um centro brasileiro mostram que a infecção é responsável por 49% das falhas precoces e por 25% das falhas tardias. 4

Apesar da relativa baixa incidência, as infecções pós-artroplastia (IPAs) e seu tratamento têm grande impacto econômico. O custo de um único tratamento pode variar de 30 a 50 mil dólares; e o tratamento de infecções graves, causadas por microrganismos resistentes, pode custar até 100 mil dólares. 5 O custo do tratamento de uma infecção periprotética no sistema público brasileiro é estimado em ∼ 55 mil reais (∼ 14 mil dólares). 6

Como medida de prevenção da infecção na ATJ, a Academia Americana de Cirurgiões Ortopédicos (AAOS, na sigla em inglês) recomenda a profilaxia antimicrobiana sistêmica uma hora antes da incisão cirúrgica. No entanto, o fármaco não alcança prontamente a interface implante-tecido. Desta forma, a administração local de antibióticos associada à sistêmica é recomendada por alguns autores para disponibilizar concentrações mais altas de antibiótico in situ , com menor risco de toxicidade sistêmica. 7

A mistura manual do antibiótico em pó com o cimento ósseo durante a cirurgia ou o produto pré-misturado disponível comercialmente são os métodos mais comumente utilizados para o aporte local de antibióticos. 8 Alternativamente, outros autores sugerem a aplicação de antibiótico em pó diretamente à ferida cirúrgica, a chamada profilaxia antimicrobiana intraferida. No entanto, ainda não existe consenso na literatura quanto à efetividade desses métodos, e mais evidências com estudos prospectivos são necessárias. 9 10 11

Do ponto de vista clínico, o uso de cimento impregnado com antibiótico reduziu os índices de falhas séptica e asséptica na ATJ. 8 10 12 Com redução de 60,6% na ocorrência de infecções e economia de 801 euros por paciente, seu custo-benefício foi considerado favorável. 13 Contrariamente, uma revisão sistemática com mais de 34 mil pacientes submetidos a ATJ mostrou que o uso de antibióticos não reduziu a prevalência de IPA e pode ser um custo desnecessário para o sistema de saúde. 14 Dadas as evidências controversas, investigamos a eficácia da adição de antibiótico ao cimento ósseo na ATJ primária como forma de prevenção da infecção profunda.

Material e Métodos

Critério de seleção

O presente estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa (CAAE 0036.0.305.00-10). Todos os voluntários consentiram por escrito antes da inclusão no estudo. Foram incluídos pacientes portadores de osteoartrite (OA) primária e secundária com indicação de ATJ. Não houve limite de idade e nem restrição quanto ao gênero. Os critérios de exclusão foram pacientes submetidos à artroplastia unicompartimental do joelho, à artroplastia de revisão ou a qualquer cirurgia prévia na articulação e pacientes com evidências de infecção articular ou com coagulopatias congênitas ou adquiridas, além de história prévia de alergia à vancomicina.

Grupos do estudo

Foram recrutados de forma prospectiva todos os pacientes ( n  = 286) submetidos a ATJ entre julho de 2010 e dezembro de 2013. Os pacientes foram submetidos à ATJ primária com prótese Press Fit Condylar Sigma (Sigma/DePuy-Synthes, West Chester, PA, EUA) e randomizados de acordo com o uso de antibiótico no cimento ósseo. Em 158 pacientes, foi utilizado cimento ósseo convencional (DePuy-Synthes), denominado grupo Sem ATB, e em 128 pacientes foram adicionados 2 g de Vancomicina a cada 40 g de cimento ósseo, denominado grupo Com ATB. Os pacientes com número de prontuário ímpar foram alocados no grupo Sem ATB e pacientes com número de prontuário par foram alocados no grupo Com ATB.

Técnica cirúrgica

Todos os pacientes foram submetidos à raquianestesia e bloqueio periférico dos nervos ciático e femoral com auxílio de eletroestimulação. Os procedimentos foram realizados com ou sem isquemia, com torniquete pneumático de coxa inflado com pressão de 300 mmHg. A mistura cimento/antibiótico foi preparada de acordo com McLaren et al. 12 pelo cirurgião principal durante o procedimento cirúrgico ( Figura Suplementar S1 ). Um único dreno de 4,8 mm (Hemovac, Zimmer) foi mantido em todos os pacientes por 24 horas. Todas as cirurgias foram realizadas em uma única instituição por dois cirurgiões membros da Sociedade Brasileira de Ortopedia e Traumatologia e da Sociedade Brasileira do Joelho (Cobra H. A. A. B. e Mozella A. P.).

Cuidados pós-operatórios

Todos os pacientes receberam 2 g de cefazolina endovenosa., complementada com 2 doses adicionais de 1g a cada 8 horas. A prevenção de eventos tromboembólicos foi realizada com dose única diária de 40 mg de heparina de baixo peso molecular por via subcutânea (Clexane, Sanofi Aventis, Paris, França) iniciada 12 horas após o término da cirurgia e mantida por 10 dias.

Diagnóstico da infecção

O diagnóstico de infecção foi baseado nos critérios definidos por Parvizi et al., 15 16 que consideram os achados clínicos, a elevação dos níveis de proteína C reativa, aumento na velocidade de hemossedimentação e cultura microbiológica positiva dos fragmentos teciduais obtidos no período intraoperatório. A presença de rubor, eritema e dor associados ou não a febre foram considerados sinais clínicos positivos de infecção. Depois que o paciente foi submetido à primeira etapa da cirurgia de revisão, foram coletados três fragmentos de fêmur, três fragmentos de tíbia e tecido mole para cultura microbiológica. O diagnóstico de infecção foi estabelecido quando ocorreu crescimento bacteriano do mesmo microrganismo em pelo menos duas amostras.

Seguimento

Os pacientes foram avaliados com 15 dias, 2, 6, 12 e 24 meses após a cirurgia no ambulatório da instituição. A ocorrência de complicações no período pós-operatório, como tempo e presença de infecção superficial ou profunda, necrose cutânea, trombose venosa profunda, infarto agudo do miocárdio e reações alérgicas sintomáticas foram investigadas.

Análise estatística

A análise de distribuição dos dados numéricos foi realizada pelo teste de Shapiro-Wilk. Os testes t de Student e Mann-Whitney foram aplicados para as variáveis com distribuição normal e não-normal, respectivamente. Foi adotada a significância de 5%. Dados categóricos foram analisados pelo teste qui-quadrado ou exato de Fisher. Utilizou-se o programa GraphPad Prism versão 7.00 para Windows (GraphPad Software, San Diego, CA, EUA).

Resultados

Características dos pacientes

Os dados pré-operatórios foram analisados para verificar a randomização dos indivíduos nos grupos de tratamento. Os grupos do estudo foram homogeneamente distribuídos sem diferenças no gênero ( p  = 0,221), classificação de risco cirúrgico de acordo com a Sociedade Americana de Anestesiologia (ASA, na sigla em inglês) ( p  = 0,348), idade (68 versus 66 anos; p  = 0,429), índice de massa corporal [IMC] (30,4 versus 29,3; p  = 0,579), níveis plasmáticos de globulina (2,8 versus 2,7; p  = 0,566), níveis plasmáticos de albumina (3,5 versus 3,3; p  = 0,555), duração da cirurgia (90 versus 85 minutos; p  = 0,087), para os grupos Com ATB e Sem ATB, respectivamente ( Tabelas 1 e 2 ).

Tabela 1. Dados clínicos numéricos de pacientes submetidos a artroplastia total de joelho primária com prótese Press Fit Condylar Sigma (DePuy-Synthes, West Chester, PA, EUA).

Grupo Com ATB ( n  = 128) Grupo Sem ATB ( n  = 158) valor-p
Mediana IIQ Min. Max. Mediana IIQ Min. Max.
Idade (anos) 680 61,0 73,0 33,0 83,0 66,0 61,0 72,3 30,0 82,0 0,429 a
IMC (kg/m 2 ) 30,4 26,8 32,6 15,0 43,8 29,3 25,7 33,2 18,0 44,9 0,597 a
Globulina (g/dL) 2,8 2,2 3,2 0,4 4,5 2,7 2,1 3,3 0,06 5,5 0,566 b
Albumina (g/dL) 3,5 3,2 4,0 1,9 7,1 3,6 3,3 3,9 2,2 6,9 0,555 a
Duração da cirurgia (minutos) 90,0 78,0 105,5 40,0 150 85,0 72,0 100,0 46,0 147,0 0,087 a

Abreviações: ATB, antibiótico; IIQ, intervalo interquartil; IMC, índice de massa corporal; min., mínimo; max., máximo.

Os pacientes foram randomizados em dois grupos: cimento ósseo sem antibiótico (sem ATB, n  = 158) ou cimento com antibiótico (Com ATB, n  = 128), ao qual foram adicionados 2 g de vancomicina para 40 g de cimento.

a

Teste não paramétrico de Mann-Whitney

b

Teste T de Student não pareado.

Tabela 2. Dados clínicos categóricos de pacientes submetidos a artroplastia total de joelho primária com prótese Press Fit Condylar Sigma (DePuy-Synthes, West Chester, PA, EUA).

Com ATB
( n  = 128)
Sem ATB
( n  = 158)
 valor-p
Gênero
 Masculino 21,8% (28/128) 15,8% (25/158)  0,221 a
 Feminino 78,1% (100/128) 84,1% (133/158)
ASA
 1 6,2% (8/128) 5,1% (8/158)  0,348 b
 2 92,2% (118/128) 90,5% (143/158)
 3 2,3% (3/128) 3,2% (5/158)
Diagnóstico
 Osteoartrose 78,9% (101/128) 70,2% (111/158)  0,911 b
 Artrite reumatoide 19,5% (25/128) 15,2% (24/158)
 Outro 1,6% (2/128) 1,3% (2/158)
Comorbidades
 Diabetes mellitus 2,3% (3/128) 1,9% (3/158)  0,653 a
 Hipertensão arterial sistêmica 57,8% (74/128) 59,5 (94/158)
 Ambos 18,0% (23/128) 20,3% (32/158)
 Nenhuma 21,9% (28/128) 18,4% (29/158)

Abreviações: ASA, classificação de risco cirúrgico de acordo com a Sociedade Americana de Anestesiologia; ATB, antibiótico; Outro, osteonecrose, hemofilia ou sequela de trauma.

Os pacientes foram randomizados em dois grupos: cimento ósseo sem antibiótico (sem ATB, n  = 158) ou cimento com antibiótico (Com ATB, n  = 128), ao qual foram adicionados 2 g de vancomicina para 40 g de cimento.

a

Teste Exato de Fisher

b

Teste Qui-Quadrado.

Dos 286 pacientes submetidos à ATJ, 212 (70,6%) apresentaram OA primária, 101 (78,9%) no grupo Com ATB e 111 (70,2%) no grupo Sem ATB. A OA secundária à artrite reumatoide foi o diagnóstico em 25 (19,5%) pacientes no grupo Com ATB e em 24 (15,2%) pacientes no grupo Sem ATB. Dois pacientes do grupo Com ATB desenvolveram OA secundária à osteonecrose, e dois outros pacientes do grupo Sem ATB desenvolveram OA secundária a trauma. Quanto à presença de comorbidades, 3 pacientes do grupo “Sem ATB” apresentavam diabetes mellitus (DM), 94 apresentavam hipertensão arterial sistêmica (HAS), e 32 apresentavam a associação das duas comorbidades. No grupo “Com ATB”, 3 eram diabéticos, 74 eram hipertensos e 23 apresentavam a associação entre DM e HAS. Não houve diferença entre os grupos para a presença de DM ( p  = 0,706), de HAS ( p  = 0,474) ou de ambas as condições associadas ( p  = 0,654). Níveis séricos de albumina < 3,5 g/dl foram observados em 96 dos 286 pacientes. A prevalência diagnóstica e a distribuição de comorbidades foram semelhantes entre os grupos ( Tabela 2 ).

Infecção pós artroplastia de joelho em pacientes que utilizaram cimento com ou sem antibiótico

Nos 24 meses de acompanhamento, o percentual de infecção foi de 2,09% (6/286), não havendo diferença (odds ratio [OR] = 1,636; intervalo de confiança [IC] 95%: 0,294–9,080; p  = 0,694) entre o grupo Com ATB (1,56%; 2/128) e Sem ATB (2,53%; 4/158) ( Figura 1 ). A média de tempo entre a realização da cirurgia e o diagnóstico de infecção foi de 250 dias (entre 27 e 158 dias). Um paciente desenvolveu infecção dentro de 915 dias. Excepcionalmente, este paciente não foi excluído do estudo, pois era proveniente de outro estado e estava no programa tratamento fora de domicílio (TFD) do sistema único de saúde (SUS), o que acarretou sua demora ao retorno. Os pacientes que evoluíram com IPA foram submetidos à cirurgia de revisão. O tempo médio de permanência hospitalar após a revisão foi de 46,6 dias (entre 16 e 90 dias).

Fig. 1.

Fig. 1

Infecção pós-artroplastia de joelho em pacientes submetidos a artroplastia total de joelho primária com prótese Press Fit Condylar Sigma (DePuy-Synthes®, West Chester, PA, EUA). Os pacientes foram randomizados em dois grupos: cimento ósseo sem antibiótico (sem ATB, n  = 158) ou cimento com antibiótico (Com ATB, n  = 128), ao qual foram adicionados 2 g de vancomicina para 40 g de cimento. p  = 0,694. Teste exato de Fisher.

Dentre os seis pacientes que desenvolveram infecção, todos eram hipertensos e nenhum diabético e/ou obeso. No grupo Com ATB, 2 dos 25 pacientes com OA secundária à AR desenvolveram infecção. No grupo Sem ATB, dentre os quatro pacientes infectados, nenhum deles apresentava AR. Um paciente de cada grupo apresentava níveis séricos de albumina < 3,5 g/dl.

No grupo Sem ATB, a infecção foi causada por Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA, na sigla em inglês) ( n  = 2), S. aureus sensível à meticilina (MSSA, na sigla em inglês) ( n  = 1) e Escherichia coli ( n  = 1). No grupo Com ATB, em um dos pacientes foi isolado MSSA e, no outro, Proteus mirabilis . A infecção mais precoce foi detectada 27 dias após a ATJ, e a mais tardia em 915 dias (paciente TFD), ambas causadas por MRSA ( Tabela 3 ).

Tabela 3. Perfil da infecção após artroplastia total de joelho com cimento ósseo sem antibiótico (sem ATB, n  = 158) ou com cimento ósseo acrescido de antibiótico (Com ATB, n  = 128), ao qual foram adicionados 2 g de vancomicina para 40 g de cimento .

Paciente Grupo Tempo para diagnóstico da infecção (dias) Microrganismo
1 Sem ATB 915 MRSA
2 Sem ATB 449 MSSA
3 Sem ATB 29 Escherichia coli
4 Sem ATB 27 MRSA
5 Com ATB 46 MSSA
6 Com ATB 39 Proteus mirabilis

Abreviações: ATB, antibiótico; MRSA, Staphylococcus aureus resistente à meticilina; MSSA, Staphylococcus aureus suscetível à meticilina.

Não foram relatadas reações alérgicas locais ou sistêmicas ou eventos adversos.

Discussão

Os resultados do presente estudo prospectivo randomizado com 286 pacientes submetidos à ATJ primária com e sem adição de antibiótico ao cimento ósseo mostraram que o uso do cimento ósseo impregnado com vancomicina reduziu o número absoluto de infecções profundas, porém sem significância estatística. O uso do antibiótico também não mostrou relação com a ocorrência de reações adversas.

Em nosso estudo, a taxa global de infecção foi semelhante à taxa de infecção relatada na literatura (de 0,5% a 2%). 1 2 17 Poucos estudos prospectivos randomizados avaliaram os efeitos do cimento ósseo impregnado com antibióticos na taxa de infecção em ATJ. Um estudo prospectivo randomizado com 340 pacientes constatou que a adição de cefuroxima (2 g / 40 g) foi eficaz na prevenção de infecções profundas (0% versus 3,1%, p  = 0,024). 10 Outro estudo com 1.625 pacientes não revelou diferença entre o uso de formulação comercial contendo tobramicina (2,2%; 18/814) e o grupo controle (3,1%; 25/811). 18 Em outro estudo de coorte, o uso de cimento ósseo com gentamicina não reduziu a taxa de infecção, mesmo nos pacientes considerados como grupo de risco 5 . No presente estudo, a maioria das infecções ocorreu nos primeiros 60 dias após a cirurgia. Não podemos excluir a hipótese de que as 2 infecções mais longas, que ocorreram dentro de 449 e 915 dias e foram causadas por S. aureus , são consequência de infecção hematogênica aguda.

Pacientes diabéticos têm 1,28 vezes maior chance de infecção. 19 Apesar de Chiu et al. 20 terem mostrado a eficácia do uso de cimento com cefuroxima na prevenção da infecção profunda na ATJ primária em pacientes diabéticos, Namba et al. 21 não observaram redução da taxa de infecção nesses pacientes. Na amostra do nosso estudo, foram incluídos 37 pacientes diabéticos no grupo Sem ATB e 29 no grupo Com ATB, porém nenhum deles desenvolveu infecção. É possível que o controle pré-operatório rígido da glicemia tenha contribuído para este achado. Embora não seja possível estabelecer, a partir dos nossos resultados, um protocolo para o uso de antibiótico no cimento ósseo nas ATJ primárias em pacientes considerados de risco, o seu uso é sustentado pela literatura. 7 22

A obesidade mórbida (IMC ≥ 40 Kg/m 2 ) e a obesidade (IMC > 30 Kg/m 2 ) combinadas com diabetes são fatores de risco para IPA após ATJ. 23 Em uma série com ∼ 7.000 ATJ primárias, a taxa de infecção foi de 0,37% nos pacientes com IMC normal, e de 4,66% no grupo de obesos mórbidos. 24 Na nossa amostra, nenhum dos obesos desenvolveu infecção.

A concentração sérica de albumina é um dos indicadores mais relevantes e simples da avaliação do status nutricional. 25 O parâmetro recomendado para pacientes submetidos a artroplastias é de 3,5 g/dL até 5,0 g/dL. 26 Dos pacientes com nível sérico de albumina < 3,5 g/dl, 1 de cada grupo apresentou IPA. A prevalência de desnutrição em pacientes hospitalizados no sistema público de saúde brasileiro é alta. 27 Futuramente, seria interessante investigar o impacto da desnutrição e da deficiência proteica, bem como o custo associado à desnutrição.

Similarmente, o tempo de cirurgia é considerado fator de risco para infecção periprotética, em especial quando ultrapassa 210 minutos. 17 O tempo médio de cirurgia foi de 85 minutos no grupo Sem ATB e de 90 minutos no grupo Com ATB; a pequena diferença pode ser explicada pelo tempo extra necessário para misturar o cimento com o antibiótico. Mesmo assim, o tempo máximo gasto neste grupo foi de 150 minutos, muito aquém dos 210 estabelecidos como limite na literatura. Os cirurgiões devem considerar este aspecto no planejamento da cirurgia ou até considerar o uso de cimento ósseo pré-misturado com antibióticos.

No que diz respeito à segurança, o uso local de antibióticos exige cautela devido ao risco potencial de toxicidade, reações alérgicas, microrganismos resistentes e diminuição da resistência mecânica. 18 No presente estudo, não observamos reações alérgicas locais ou sistêmicas ou eventos adversos atribuíveis ao antibiótico. É importante notar que a escolha da vancomicina foi baseada em recomendação da Comissão de Controle de Infecção Hospitalar, devido à maior sensibilidade da microbiota bacteriana associada às infecções pós ATJ a este antibiótico. Apesar de a adição de > 0,5 g de Vancomicina afetar as propriedades mecânicas do cimento ósseo, doses < 2g perdem a propriedade antimicrobiana. 28 Mais estudos devem ser realizados para determinar o efeito da vancomicina nas propriedades mecânicas e na eluição do antibiótico no cimento ósseo DePuy-Synthes aqui utilizado. Estes resultados não descartam a influência de outros fatores na IPA após a ATJ primária em nossa população amostral – um centro público ortopédico terciário. Taxas de infecção podem ser controladas por meio de medidas mais rigorosas de atendimento ao paciente, e não há um único fator determinante para infecção periprotética, mas sim um conjunto de fatores. 29 Desta forma, futuramente, a análise por subgrupos, como portadores de AR, obesos e pacientes transfundidos, pode orientar a tomada de decisão do cirurgião sobre o uso de antibióticos na ATJ primária em nossa população.

Consideramos como ponto forte do presente estudo o longo tempo de seguimento (24 meses) sem perdas de acompanhamento. No entanto, reconhecemos como limitações a não realização do cálculo amostral, o que impossibilitou a análise não só de subgrupos por comorbidades, como também de outros fatores, como a realização de isquemia, transfusão e aspectos nutricionais. São necessários estudos prospectivos adicionais, com maior tamanho amostral brasileiro e com base nos critérios de diagnóstico de infecção mais recentes. 30 Um outro ponto a ser considerado é que não foi realizada a análise microbiológica da prótese explantada pelo método de sonicação. Esta análise poderia aumentar a sensibilidade do diagnóstico de infecção. Além disso, a relação custo-benefício do cimento ósseo impregnado com antibióticos também deve ser investigada. Até onde sabemos, apenas um estudo, incluindo 34 pacientes, avaliou o impacto econômico da infecção articular periprotética do joelho em hospitais brasileiros. O custo adicional total foi estimado em US$ 91.843,75 31 , enquanto 2 g de Vancomicina custam cerca de BRL120 (∼ US$ 30,00) no mercado brasileiro. Outro estudo estimou o custo do tratamento da infecção da artroplastia do quadril em R$ 55.821,62 (∼ US$ 14.561) por paciente. 6

Conclusão

Finalmente, o uso de cimento impregnado com antibiótico não deve ser encorajado nas artroplastias totais primárias de joelho. Acreditamos que nossos resultados poderão direcionar a conduta dos cirurgiões ortopédicos e contribuir com a diminuição do uso inapropriado de antibióticos.


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