Einsatz von Silbernanopartikeln in der tierärztlichen Praxis

Das zu den Schwermetallen gehörende Silber ist ein Element mit vielseitigen Eigenschaften, die für die Menschheit von großem Wert sind, insbesondere im Zeitalter der zunehmenden Antibiotikaresistenz. Eine besondere Eigenschaft dieses Metalls sind seine bakteriziden, viruziden und fungiziden Wirkungen (Maillard et al., 2016). Silber und Silberverbindungen fanden bereits vor Jahrtausenden Anwendung in der Medizin, lange bevor man ihre genauen Wirkmechanismen und das Spektrum ihrer Wirkung verstand. Mit der Entdeckung der Antibiotika ging der Einsatz von Silberverbindungen in der Wundtherapie allerdings zurück.

Doch neue wissenschaftliche Erkenntnisse und die dynamische Entwicklung verschiedener Wissenschaftsbereiche haben das enorme Potenzial von Silber in Form von Nanopartikeln (NPs) aufgezeigt.

In den letzten Jahren haben Silbernanopartikel (aktive Silberformen, AgNP) in zahlreichen Lebensbereichen Einzug gehalten. Ihr Einsatz ist inzwischen so häufig geworden, dass Umwelttoxikologen darauf hinweisen, dass die rasch wachsende Nutzung von Nanopartikeln, einschließlich AgNPs, unter bestimmten Umständen negative Auswirkungen auf die Umwelt haben könnte (Auffan et al., 2009). Aus diesem Grund wird postuliert, dass die Errungenschaften der Silber-Nanotechnologie vorrangig in den medizinischen und pharmazeutischen Sektoren Anwendung finden sollten.

Nanopartikeltechnologie

Wie bereits erwähnt, ist die Nutzung von Silber in Form von Nanopartikeln durch die Nanotechnologie möglich geworden. Diese erlaubt die kontrollierte Herstellung und Verwendung verschiedener Strukturen und Materialien in nanometrischen Größen, also in einer Dimension vergleichbar mit einzelnen Atomen und Molekülen. Es sei daran erinnert, dass „Nano“ ein Präfix ist, das einen Multiplikationsfaktor von 0,000 000 001 = 10⁻⁹ oder ein Milliardstel bezeichnet.

Für die Herstellung von Nanopartikeln gibt es zwei verschiedene Prozesse: Bei der Top-Down-Methode wird das Material so lange zerkleinert, bis die einzelnen Partikel eine Größe im Nanobereich haben. Die Bottom-Up-Methode hingegen baut Nanostrukturen ausgehend von einzelnen Atomen auf.

Auswirkungen der Nanotechnologie auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Materialien

Eine besonders wichtige Eigenschaft von Nanopartikeln ist ihre Fähigkeit, die meisten Barrieren, einschließlich biologischer, zu durchdringen, was maßgeblich zu ihrer hohen Aktivität gegen Mikroorganismen beiträgt.

Die zweite wichtige praktische Eigenschaft von Nanopartikeln ist die Entwicklung einer nanospezifischen Oberfläche. Bei Nanomaterialien ist dieser Parameter besonders hoch – beispielsweise entspricht die spezifische Oberfläche von Silizium-Nanopartikeln in einem Volumen ähnlich einem Regentropfen der Fläche eines großen Fußballfeldes. Dies ist besonders wichtig im Zusammenhang mit der mikrobiellen Aktivität von Nanopartikeln, für die ein Kontaktmechanismus unerlässlich ist (Pullit et al., 2010). Daher sind AgNPs für die Medizin von größtem Interesse.

Was das Silber betrifft, so haben Nanopartikel das ionische Silber aus vielen der oben genannten Gründe bereits weitgehend ersetzt. Ein besonders wichtiger Aspekt im vorliegenden Fall ist, dass AgNPs deutlich sicherer sind als ionisches Silber. Zudem kann ihr antibakterielles Potenzial auf verschiedene Weise gezielt verstärkt werden, etwa durch die Kombination mit bestimmten Antibiotika (Chojniak et al., 2018).

Es gibt verschiedene Erklärungsansätze dafür, auf welche Weise Silbernanopartikel ihre biozide Wirkung gegenüber Mikroorganismen entfalten:

Zum einen sind Silbernanopartikel in der Lage, sich an die bakterielle Zellwand zu binden und diese zu durchdringen. Dies führt zur Störung der Membranpermeabilität, was letztlich den Zelltod zur Folge haben kann.

Die zweithäufigste Erklärung betrifft die Fähigkeit von Nanopartikeln, Silberionen freizusetzen. Diese Ionen können mit den Thiol-Gruppen vieler wichtiger Enzyme interagieren und sie inaktivieren. Bakterienzellen, die mit Silber in Berührung kommen, nehmen Silberionen auf, die dann innerhalb der Zelle Atmungsenzyme blockieren. Dies führt zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, die u. a. die Zellstrukturen angreifen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass Silber eine hohe Affinität zu Schwefel und Phosphor besitzt. Die Wechselwirkung von Silberionen mit den Schwefel- und Phosphatgruppen der DNA kann die DNA-Replikation und Zellteilung stören und so zum Absterben der Mikroorganismen führen. Zudem können Silberionen die Proteinsynthese hemmen, indem sie Ribosomen im Zytoplasma denaturieren.

Diese Wirkmechanismen gehören zu den am häufigsten diskutierten Erklärungsansätzen.

Einsatzmöglichkeiten von Silbernanopartikeln in der Veterinärmedizin

Es ist zweifelsfrei nachgewiesen, dass AgNPs sowohl bakterizide als auch bakteriostatische Wirkungen besitzen und zudem das Wachstum von Pilzen und Protozoen hemmen (Speruda et al., 2019). Darüber hinaus haben Silbernanopartikel antivirale Eigenschaften. Diese Merkmale lassen darauf schließen, dass Nanopartikeln desinfizierende Eigenschaften zugeschrieben werden können.

In der veterinärmedizinischen Praxis, insbesondere in der Schweinegesundheit, wurden Silbernanopartikel bereits mit beträchtlichem Erfolg zur Behandlung von Hautwunden eingesetzt, die unter anderem durch Kannibalismus verursacht wurden (Abb. 3).

Präparate, die Silbernanopartikel enthalten, werden in Schweinehaltungen zunehmend zur Desinfektion von Wassersystemen eingesetzt.

Silbernanopartikel spielen eine immer wichtigere Rolle in verschiedenen Bereichen der Biosicherheit, insbesondere bei der periodischen und der permanenten Desinfektion von Stallgebäuden, beispielsweise durch Vernebelung.

Eine Studie (Tarasiuk & Wojciechowski, 2022), in der die Wirksamkeit eines AgNP-haltigen Desinfektionsmittels mit der eines Jodophor-Produkts verglichen wurde, hat gezeigt, dass die periodische Desinfektion mit einem AgNP-haltigen Produkt die Anzahl der mikrobiellen Verunreinigungen in der Stallumgebung deutlich reduzierte und bessere Ergebnisse erzielte als die Desinfektion mit einem Jodophor-Produkt. Diese Verringerung des Infektionspotenzials spiegelte sich auch in den Produktionskennzahlen wider: Die Sterblichkeitsrate der Schweine in den mit einem AgNP-haltigen Produkt desinfizierten Ställen war signifikant niedriger als in der positiven Kontrollgruppe, in der die Desinfektion mit einem Jodophor-Produkt erfolgte. Gleichzeitig sanken die Behandlungskosten pro Mastschwein. In der positiven Kontrollgruppe betrugen die Kosten für die tierärztliche Versorgung pro Tier mit einem Gewicht von 30 kg bis zum Ende der Mast 5,69 PLN. In der Versuchsgruppe lagen sie bei 4,02 PLN. Dies entspricht einer Senkung der Behandlungskosten um 30 %. Derzeit sind Produkte mit Silbernanopartikeln noch relativ teuer, es wird jedoch erwartet, dass die Preise mit zunehmender Nutzung sinken werden.

Es sei erwähnt, dass bereits seit einigen Jahren Farben erhältlich sind, die Silbernanopartikel (in einer Konzentration von 30 ppm) enthalten. Diese Silberkonzentration hemmt das Wachstum von Mikroorganismen auf den mit diesen Farben gestrichenen Oberflächen, weshalb sie in lebensmittelverarbeitenden Betrieben zur Wandbeschichtung eingesetzt werden. So erscheint es sinnvoll, solche Farben auch in der Tierhaltung zu nutzen, und zwar nicht nur zur Eindämmung von Mikroorganismen, sondern auch zur Bekämpfung von Arthropoden, insbesondere Fliegen.