Ein neues Tiermodell zur Induktion infizierter Pseudarthrosen an der Tibia und Nachweis von Bakterien im Knochengewebe mittels Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung : Etablierung eines neuen Tiermodells bei Ratten

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung eines neuen Tier- Infektionsmodells zur Induktion einer Implantat-assoziierten chronischen Osteitis in Form einer infizierten Pseudarthrose. Dies beinhaltete die Beantwortung der Frage, ob in Kombination einer Osteotomie mit einer bakteriellen Kontamination mit Staphylococcus aureus eine infizierte Pseudarthrose an der Rattentibia zuverlässig erzeugt werden kann und ob im Falle einer Knocheninfektion die Bakterien mittels Fluoreszenz-in-situ- Hybridisierung im Knochen nachgewiesen werden können. Bei diesem neuen Tiermodell wurde an der Rattentibia mit einer oszillierenden Säge eine Osteotomie auf Höhe des mittleren Schaftes durchgeführt. Die Fraktur wurde bakteriell kontaminiert und mit einem intramedullären Implantat osteosynthetisch versorgt. Dabei wurde im Rahmen einer Pilotstudie eine Keimmenge von 104 KBE des Staphylococcus aureus-Stammes EDCC 5055 als Inokulationsdosis für die Hauptstudie gewählt. In der Hauptstudie zeigten sich bei den Tieren der Kontaminationsgruppe nach einer Beobachtungsdauer von 6 Wochen eindeutige klinische, radiologische und histologische Zeichen einer infizierten Pseudarthrose ohne systemische Komplikationen. Dabei zeigte sich der Nachweis von Bakterien sowohl bei den Knochenbiopsien als auch auf dem intramedullären Implantat. Durch Rasterelektronenmikroskopie konnte bei den Tieren mit Infektion bakterieller Biofilm auf den Implantaten nachgewiesen werden. Mittels Durchführung einer Pulsfeld-Gelelektrophorese konnte in allen Fällen bei Infektion den initial inokulierten Staphylococcus aureus EDCC 5055 Stamm als Infekt-auslösender Keim nachgewiesen und somit eine Kontamination ausgeschlossen werden. Durch beide FISH-Sonden konnte bei den Tieren mit ausbleibender Frakturheilung Bakterien direkt in den Knochentrabekeln als Hinweis auf eine Osteitis detektiert werden. Bei den Tieren der Kontrollgruppe kam es zu einer vollständigen, komplikationslosen Knochenbruchheilung, ohne Hinweise auf eine Infektion. Es fand sich eine ausgezeichnete Korrelation der Ergebnisse der klinischen, radiologischen und histologischen Untersuchungen verglichen mit den mikrobiologischen Resultaten. Diese exakte Korrelation wurde durch die Resultate der FISH-Technik, Elektronenmikroskopie und Micro-CT ebenfalls bestätigt. Dieses Modell kann zukünftig bei der Testung von antimikrobiell beschichteten Implantaten oder lokaler bzw. systemischer Antibiotika verwendet werden. Die FISH-Methodik stellt eine neue Methodik bei der Diagnostik von Knochen- bzw. Implantat-assoziierten Infektionen dar, die zukünftig auch klinisch genutzt werden kann. There is no adequate animal model to mimic the difficult clinical situation of infected nonunion of the tibia after intramedullary stabilization. The purpose was to establish an animal model of implant-related infected non-unions of the tibia in rats. Furthermore, it was evaluated if detection of bacteria by fluorescent in situ hybridization (FISH) technique is possible in bone infection. 17 rats were used in which osteotomy of the midshaft tibia was performed and stabilized with an intramedullary device. Two groups were tested: group 1: contamination of the osteotomy site with 104 colony forming units (CFUs) of Staphylococcus aureus (11 animals), group 2: no bacterial contamination (6 animals). The animals were sacrificed after 42 days and bone healing and infection were assessed clinically, by X-ray, micro-CT, and microbiological methods including FISH technique using EUB and STAPHY probes. Histology and scanning electron microscopy (SEM) for biofilm formation were performed. All animals of the control group showed uneventful bone healing after 6 weeks without any signs of local infections. 10 of 11 (90.9%) animals of group 1 with bacterial contamination exhibited infected non-union formation with positive clinical, radiological and microbiological infection signs of the tibia but without any systemic infection signs. FISH technique was able to identify bacteria in the infected bone. All intramedullary implants from the infected animals showed positive biofilm formation in SEM. This work presents the first animal model for the induction of intramedullary device-related infected non-union in the tibia and detection of bacteria by FISH technique in infected bone.