In-vivo-Wirksamkeit von mikroporösem metallischen Silber in Polymethylmethacrylat-Knochenzement gegen Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus : eine experimentelle Studie am Kaninchen

Abstract

Infektionen durch antibiotikaresistente Bakterien wie den Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) stellen schwerwiegende Komplikationen in der Endoprothetik dar. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, silberhaltigen Knochenzement auf antimikrobielle Wirksamkeit zu testen. Silber lag hierbei elementar und ungeladen in Mikropartikeln (MikroSilber) vor. Die Silberkonzentration sollte gerade ausreichen, um das Wachstum eines MRSA-Stamms mit hoher Gentamicin-Resistenz vollständig zu hemmen, zytotoxische Effekte in anliegendem Gewebe aber zu vermeiden.In vitro wurde zunächst mit Hilfe eines Proliferations-Assays die Silberkonzentration bestimmt, die zur vollständigen Inhibition bakteriellen Wachstums auf PMMA-Knochenzement-Proben führte. In der folgenden in-vivo-Pilotstudie wurde in einem Kaninchenmodell die Keimdosis bestimmt, die bei jedem Versuchstier eine manifeste Infektion hervorrief. In der in-vivo-Hauptstudie wurden den Tieren eine von zwei verschiedenen MRSA-Dosen und Gentamicin- oder MikroSilber-Knochenzement appliziert. Nach 14 Tagen wurden die Tiere geopfert und anhand klinischer, radiologischer, mikrobiologischer und histopathologischer Kriterien als infiziert oder nicht infiziert eingestuft.Es zeigte sich, dass eine Silberkonzentration von 1,0% in PMMA-Knochenzement ausreichte, um das Wachstum von MRSA in vitro vollständig zu hemmen. Zytotoxische Effekte in anliegenden Zellen traten nicht auf. Zur Induktion einer manifesten Infektion war eine Keimdosis von 107 KBE MRSA notwendig. Bei der Verwendung von MikroSilber-Knochenzement 1% zeigte sich eine um 70% geringere Rate an Infektionen, die durch 107 und 108 KBE MRSA induziert worden waren, als bei der Verwendung von Gentamicin-Knochenzement 2,5%. Das Ergebnis ist statistisch signifikant.Werden die biomechanischen Eigenschaften von PMMA-Knochenzement durch die Zugabe von MikroSilber nicht beeinträchtigt, sind auch in vivo keine zytotoxischen Effekte in anliegendem Gewebe nachweisbar, und kommt es zu keiner bakteriellen Resistenzentwicklung gegenüber Silber, steht mit MikroSilber-Knochenzement ein neues Biomaterial für die Prophylaxe von Infektionen in der Endoprothetik zur Verfügung. Infections caused by antibiotic resistant bacteria such as methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) pose fatal complications in joint arthroplasty. The aim of this work was to test the antimicrobial efficacy of bone cement containing microparticles of elementary, unloaded silver (MicroSilver). The silver concentration was intended to be sufficient to inhibit completely the proliferation of a MRSA strain with high gentamicin resistance, while avoiding cytotoxic effects in adjacent tissue.First, by means of a proliferation assay the silver concentration necessary to inhibit bacterial proliferation completely on PMMA bone cement samples was determined in vitro. In the consecutively performed in vivo pilot study, the germ dose necessary to provoke an apparent infection was assessed using a rabbit model. In the in vivo main study, the animals then received one of two different MRSA doses, and bone cement containing either Gentamicin or MicroSilver. After 14 days the animals were sacrificed and judged infected or non-infected on the basis of clinical, radiologic, microbiologic, and histopathologic criteria.A silver concentration of 1.0% in PMMA bone cement appeared sufficient to inhibit MRSA proliferation completely in vitro. Cytotoxic effects in adjacent cells were not observed. A germ dose of 107 colony forming units (CFU) was necessary to induce an apparent infection in each animal. With the application of 1% MicroSilver bone cement the rate of infections induced by 107 and 108 CFU MRSA was reduced by 70% compared to the application of 2.5% Gentamicin bone cement. The result is statistically significant.Unless the biomechanical properties of PMMA bone cement are impaired by the adding of MicroSilver, cytotoxic side-effects in adjacent tissue are detected in vivo, and bacteria develop resistance against silver, MicroSilver bone cement represents a new biomaterial available for the prophylaxis of infections in joint arthroplasty surgery.