Traumatology and Orthopedics of RussiaTraumatology and Orthopedics of RussiaТравматология и ортопедия России2311-29052542-0933Vreden National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics162910.21823/2311-2905-2021-27-2-54-64Theoretical and experimental studiesТеоретические и экспериментальные исследованияTheoretical and experimental studiesThe Effect of Vancomycin and Silver Combination on the Duration of Antibacterial Activity of Bone Cement and Methicillin-Resistant Staphylococcus aureusBiofilm FormationВлияние комбинации ванкомицина с препаратом серебра на длительность антимикробной активности костного цемента и формирование биопленки штаммом MRSAhttps://orcid.org/0000-0002-2083-2424BozhkovaS. A.БожковаС. А.

Svetlana A. Bozhkova — Dr. Sci. (Med.)

St. Petersburg

Божкова Светлана Анатольевна— д-р мед. наук, заведующая  научным  отделением  профилактики  и лечения  раневой  инфекции  и  отделением клинической фармакологии,  профессор  кафедры травматологии и  ортопедии

 г. Санкт-Петербург

clinpharm-rniito@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2326-7413GordinaE. M.ГординаЕ. М.
Russian Federation

Ekaterina  M.  Gordina —  Cand.  Sci.  (Med.

St. Petersburg

Гордина  Екатерина  Михайловна —  канд.  мед.  наук, старший  научный  сотрудник  отделения  профилактики  и лечения  раневой  инфекции

 г.  Санкт-Петербург

kate_alex.07@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3196-7535MarkovM. A.МарковМ. А.

Mikhail A. Markov— Cand. Sci. (Tech.)

St. Petersburg

Марков  Михаил  Александрович —  канд.  техн.  наук, докторант  кафедры  химической  технологии  тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

 г. Санкт-Петербург

barca0688@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3097-7846AfanasyevA. V.АфанасьевА. В.

Alexander  V.  Afanas’ev 

St. Petersburg

 

Афанасьев Александр Витальевич— травматолог-ортопед отделения гнойной хирургии

 г.  Санкт-Петербург

avafanasev@rniito.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5087-6081ArtyukhV. A.АртюхВ. А.

Vasilii A. Artyukh—  Cand.  Sci.  (Med.)

St. Petersburg

Артюх Василий Алексеевич— канд. мед. наук, заведующий отделением гнойной хирургии

г. Санкт-Петербург

artyukhva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8540-8608MalafeevK. V.МалафеевК. В.

Konstantin V. Malafeev

St. Petersburg

Малафеев  Константин  Вадимович —  аспирант лаборатории  «Полимерные  материалы  для  тканевой инженерии  и  трансплантологии»

 г. Санкт-Петербург

kostya_malafeev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4823-0695Ivan’kovaE. M.ИваньковаЕ. М.

Elena M. Ivan’kova — Cand. Sci. (Phys.-Math.)

 St. Petersburg

Иванькова Елена Михайловна— канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории «Полимерные материалы для тканевой  инженерии  и трансплантологии»;  старший  научный сотрудник лаборатории механики полимеров и композиционных материалов

г. Санкт-Петербург

Vreden National Medical Research Center of Traumatology and OrthopedicsФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава РоссииVreden National Medical Research Center of Traumatology and OrthopedicsФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена» Минздрава РоссииSaint-Petersburg State Institute of TechnologyФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)»Peter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»Institute Of Macromolecular Compounds Russian Academy of SciencesФГБОУН «Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук»1307202127254643004202104062021https://journal.rniito.org/jour/article/view/1629

Background.Local prevention of periprosthetic infection and treatment of infectious complications after various joints arthroplasties includes the use of polymethylmethacrylate-based spacers impregnated with antimicrobial agents. At the same time, the added components are able to change the bone cement characteristics and have variable antimicrobial effect duration. The aim of the studywas to evaluate the duration of antimicrobial activity and the effect on the MRSA ATCC 43300 biofilm formation on bone cement samples with gentamycin impregnated with vancomycin and/or highly dispersed silver.

Materials and Methods.Samples were made from bone cement DePuy CMW 1 Gentamicin and mixed with vancomycin and/or highly dispersed silver. The elemental composition was studied by scanning electron microscopy and  micro-x-ray  spectral  analysis.  The  study  of  the  antimicrobial  activity  duration  was  performed  by  daily  applying an  incubation  solution  with  samples  to  the  bacterial  lawn  surface.  The  effect  on  biofilm  formation  was  evaluated  by immersing the test samples in LB-broth with MRSA.

Results.The control samples did not have antimicrobial activity (AMA) against MRSA ATCC 43300. Test samples, additionally containing 10 wt.% of vancomycin was effective for 9 days. When adding highly dispersed silver, the lengthening of the samples activity time was recorded. So, when applying 2.5 wt.% of highly dispersed silver, the duration of AMA was 21 days, and when increased to 10 wt.% — 34 days. Energydispersion analysis of the sample surface with 10 wt.% of vancomycin and highly dispersed silver showed that the skeletal structure type contains matrix component based on barium sulfate with silver inclusions. During the study of the samples effect  on  a  typical  strain  biofilm  formation,  no  statistically  significant  differences  were  found  between  the  optical density of gentian violet extracts in the negative control and in the medium with MRSA.

Conclusion. The vancomycin with highly dispersed silver combination prolonged the antimicrobial activity of the samples against MRSA ATCC 43300 and effectively prevented the formation of microbial biofilms on its surface. Despite the fact that the conditions of the conducted experiment in vitro are not identical to the conditions of bone cement antimicrobial spacers clinical use, our results indicate the need to use spacers with a known duration of antimicrobial activity and to comply with the terms of temporary structures replacement.

Локальная профилактики перипротезной инфекции и лечение инфекционных осложнений после протезирования различных суставов включает применение спейсеров на основе полиметилметакрилата, импрегнированные антимикробными средствами. При этом, вносимые компоненты способны менять характеристики костного цемента и оказывать антимикробное действие различной длительности. Цель исследования - оценить длительность антимикробной активности и влияние на формирование биопленки типовым штаммом S. aureus ATCC 43300 (MRSA) образцов костного цемента, импрегнированного ванкомицином и/или высокодисперсным серебром, стабилизированным поливинилпирролидоном

Материалы и методы. Образцы готовили из костного цемента DEPUY CMW 1 GENTAMICIN. Для получения опытных образцов в 40 г сухого вещества смешивали ванкомицином и/или высокодисперсным серебром. Для определения длительности антимикробной активности в отношении Staphylococcus aureus ATCC 43300 (MRSA) готовили стандартные бусины диаметром 9 мм и весом 0,4 грамма.   Биопленки окрашивали раствором кристаллического фиолетового, с последующей экстракцией этанолом. Биомассу пленок оценивали по оптической плотности полученных спиртовых экстрактов. Морфологию и элементный состав материала исследовали методами сканирующей электронной микроскопии.

Результаты. Контрольные не обладали антимикробной активностью в отношении MRSA ATCC 43300. Опытные образцы, дополнительно содержащие 10 масс.% ванкомицина демонстрировали АМА в течение 9 суток. При внесении в КЦ-гента ВД-Ag регистрировали значительное удлинение времени АМА образцов 3 и 4. Так, при добавлении 2,5 масс.% ВД-Ag длительность АМА составила 21 сутки, а при увеличении до 10 масс.% - 34 суток. Статистически значимых различий между оптической плотностью экстрактов генцианвиолета в стерильной питательной среде и с MRSA не выявлено. В соответствии с представленными данными можно говорить об эффективном противобиопленочном действии костного цемента, импрегнированного антибиотиками и/или высокодисперсным серебром.

Заключение. Способность MRSA к адгезии и биопленкообразованию приводит к низкой эффективности лечения за счет устойчивости патогена к антибиотикам и факторам иммунной защиты организма. Применение комбинации ванкомицина с ВД-Ag обеспечило существенное пролонгирование до 34 суток антимикробной активности образцов костного цемента, которая эффективно препятствовала формированию микробных биопленок на его поверхности. Несмотря на то, что условия проведенного эксперимента in vitro не являются тождественными условиям клинического применения антимикробных спейсеров из костного цемента на основе ПММА, полученные нами результаты свидетельствуют о необходимости применять спейсеры с известной продолжительностью антимикробной активности.

periprosthetic joint infection, biofilm formation, MRSA, bone cement, silver, vancomycinПерипртезная инфекциябиопленкообразованиеMRSAкостный цементсереброванкомицин1. Flemming H.C., Wingender J., Szewzyk U., Steinberg P., Rice S., Kjelleberg S. Biofilms: an emergent form of bacterial life. Nat Rev Microbiol. 2016; 14(9):563–575. doi:10.1038/nrmicro.2016.94.2. Crabbе A., Jensen P.О., Bjarnsholt T., Coenye T. Antimicrobial Tolerance and Metabolic Adaptations in Microbial Biofilms. Trends Microbiol. 2019;27(10):850-863. doi:10.1016/j.tim.2019.05.003.3. Arciola C.R., Campoccia D., Montanaro L. Implant infections: adhesion, biofilm formation and immune evasion. Nat Rev Microbiol. 2018;16(7):397-409. doi:10.1038/s41579-018-0019-y.4. Lamret F., Colin M., Mongaret C., Gangloff S.C., Reffuveille F. Antibiotic Tolerance of Staphylococcus aureus Biofilm in Periprosthetic Joint Infections and Antibiofilm Strategies. Antibiotics (Basel). 2020;9(9):547. doi:10.3390/antibiotics9090547.5. Божкова С.А., Касимова А.Р., Тихилов Р.М., Полякова Е.М., Рукина А.Н., Шабанова В.В., Ливенцов В.Н. Неблагоприятные тенденции в этиологии ортопедической инфекции: результаты 6-летнего мониторинга структуры и резистентности ведущих возбудителей. Травматология и ортопедия России. 2018;24(4):2031.6. Boswihi S.S., Udo E.E.. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus: an update on the epidemiology, treatment options and infection control. J Curr Med Res Pract. 2018;8(1):18–24. doi:10.1016/j.cmrp.2018.01.001.7. Wong M., Chapman M.G., Malhotra S., Mirzanejad Y., Deans G.D. Experience with high dose once-daily vancomycin for patients with skin and soft-tissue infections in an ambulatory setting. Open Forum Infect Dis. 2017;4(Suppl 1):S338. doi:10.1093/ofid/ofx163.806.8. Buchholz H.W., Engelbrecht H. Depot effects of various antibiotics mixed with Palacos resins. Chirurg. 1970; 41(1)1:511-515.9. Durbhakula S.M., Czajka J., Fuchs M.D/, Uhl R.L. Spacer endoprosthesis for the treatment of infected total hip arthroplasty. J Arthroplasty. 2004;19(6):760-767. doi:10.1016/j.arth.2004.02.037.10. Joseph T.N., Chen A.L., Di Cesare P.E. Use ofantibiotic-impregnated cement in total joint arthroplasty. J Am Acad Orthop Surg. 2003;11(1):38-47. doi:10.5435/00124635-200301000-00006.11. Конев В.А., Божкова С.А., Нетылько Г.И., Афанасьев А.В, Румакин В.П., Полякова Е.М., Рукина А.Н., Парфеев Д.Г. Результаты применения фосфомицина для импрегнации остеозамещающих материалов при лечении хронического остеомиелита. Травматология и ортопедия России. 2016; 22(2):43-56.12. Gasparini G., De Gori M., Calonego G., Della Bora T., Caroleo B., Galasso O. Drug elution from high-dose antibiotic-loaded acrylic cement: a comparative, in vitro study. Orthopedics. 2014;37(11):e999-1005. DOI: 10.3928/01477447-20141023-57.13. Тапальский Д.В., Осипов В.А., Сухая Г.Н., Ярмоленко М.А., Рогачев А.А., Рогачев А.В. биосовместимые композиционные антибактериальные покрытия для защиты имплантатов от микробных биопленок. Проблемы здоровья и экологии. 2013;(2):129-134.14. Slane J., Vivanco J., Rose W., Ploeg H.L., Squire M. Mechanical, material, and antimicrobial properties of acrylic bone cement impregnated with silver nanoparticles. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2015;48:188-196. doi:10.1016/j.msec.2014.11.068.15. Kalishwaralal K., BarathManiKanth S., Pandian S.R., Deepak V., Gurunathan S. Silver nanoparticles impede the biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus epidermidis. Colloids Surf B Biointerfaces. 2010;79(2):340-344. doi:10.1016/j.colsurfb.2010.04.014.16. Karczewski D., Winkler T., Renz N., Trampuz A., Lieb E., Perka C., Müller M. A standardized interdisciplinary algorithm for the treatment of prosthetic joint infections. Bone Joint J. 2019;101-B(2), 132–139. doi:10.1302/0301-620X.101B2.BJJ-2018-1056.R1.17. Bertazzoni Minelli E, Della Bora T, Benini A. Different microbial biofilm formation on polymethylmethacrylate (PMMA) bone cement loaded with gentamicin and vancomycin. Anaerobe. 201;17(6):380-3. doi: 10.1016/j.anaerobe.2011.03.013.18. Rava A., Bruzzone M., Cottino U., Enrietti E., Rossi, R. Hip Spacers in Two-Stage Revision for Periprosthetic Joint Infection: A Review of Literature. Joints. 2019;7(2):56–63. doi:10.1055/s-0039-1697608.19. Kim S., Bishop A.R., Squire M.W., Rose W.E., Ploeg, H.-L. Mechanical, elution, and antibacterial properties of simplex bone cement loaded with vancomycin. J Mech Behav Biomed Mater. 2020;103:103588. doi:10.1016/j.jmbbm.2019.103588.20. Bishop A.R., Kim S., Squire M.W., Rose W.E., Ploeg H.-L. Vancomycin elution, activity and impact on mechanical properties when added to orthopedic bone cement. J. Mech Behav Biomed Mater 87. 2018:80–86. doi:10.1016/j. jmbbm.2018.06.033.21. Martínez-Moreno J., Merino V., Nacher A., Rodrigo J.L., Climente M., Merino- Sanjuan M. Antibiotic-loaded bone cement as prophylaxis in total joint replacement. Orthop Surg. 2017:9(4):331–341. doi: 10.1111/os.12351.22. Lilikakis A., Sutcliffe M.P.F. The effect of vancomycin addition to the compression strength of antibiotic-loaded bone cements. Int Orthop. 2009:33(3):815–819. doi: 10.1007/s00264-008-0521-3.23. Тапальский Д.В., Волотовский П.А., Козлова А.И., Ситник А.А. Антибактериальная активность покрытий на основе импрегнированного антибиотиками костного цемента в отношении микроорганизмов с различными уровнями антибиотикорезистентности. Травматология и ортопедия России. 2018;24(4):105-110. DOI: 10.21823/2311-2905-2018-24-4-105-110.24. Hashimoto A, Miyamoto H, Kobatake T, Nakashima T, Shobuike T, Ueno M, Murakami T, Noda I, Sonohata M, Mawatari M. The combination of silver-containing hydroxyapatite coating and vancomycin has a synergistic antibacterial effect on methicillin-resistant Staphylococcus aureus biofilm formation. Bone Joint Res. 2020;9(5):211-218. doi: 10.1302/2046-3758.95.BJR-2019-0326.R1.25. Kuechle D.K., Landon G.C., Musher D.M., Noble P.C. Elution of vancomycin, daptomycin, and amikacin from acrylic bone cement. Clin Orthop Relat Res. 1991;(264):302–308. doi:10.1097/00003086-199103000-00038.26. McLaren A.C., Nelson C.L., McLaren S.G., DeClerk G.R. The effect of Glycine filler on the elution rate of gentamicin from acrylic bone cement: a pilot study. Clin Orthop Relat Res. 2004;(427):25–27. doi:10.1097/01.blo.0000143556.41472.2a.27. Nugent M., McLaren A., Vernon B., McLemore R. Strength of antimicrobial bone cement decreases with increased poragen fraction. Clin Orthop Relat Res. 2010;468(8):2101–2106. doi:10.1007/s11999-010-1264-1.