Histologisches Scoring zur Untersuchung prophylaktischer Effekte von extrazellulären Oligonukleotiden auf die Entstehung einer Implantat-assoziierten Osteomyelitis

Abstract

Osteomyelitiden sind Entzündungen des Knochenmarks und damit schwer zu diagnostizieren. Tritt eine Osteomyelitis in Kombination mit einem intramedullären Implantat auf, ist sie schwierig zu therapieren und häufig muss dabei das Implantat entfernt und nach der Heilung ersetzt werden. Daher stehen neue Therapiemethoden und Implantate im Fokus der Forschung zu Implantat-assoziierten Infektionen. Ein vielversprechender Ansatz wurde in diesem Projekt durch die präoperative Applikation von Cytosin-Phosphat-Guanosin Oligodesoxynukleotiden (CpG-ODN) verfolgt. CpG-ODN sind unmethylierte DNA-Motive, welche eine immunstimulierende Wirkung und dadurch einen protektiven Effekt gegenüber bakteriellen Infektionen haben können. Ziel dieser Versuchsreihe war die Entwicklung eines neuen (histologischen) Scoring-Systems zur Diagnose einer Osteomyelitis sowie histologische Untersuchungen zur Wirksamkeit von präoperativ applizierten CpG-ODN gegen die Etablierung einer Infektion.Eine präoperative intramuskuläre Applikation von CpG-ODNs konnte im Rattenmodell dieser Versuchsreihe eine Infektion nicht verhindern. In allen vorbehandelten Versuchsgruppen konnte eine Operation mit intramedullärem Tibia-Implantat und einer bakteriellen Infektion von 105 CFU Anzeichen einer akuten Osteomyelitis (Gewebeinfiltration mit neutrophilen Granulozyten und Bakterien) sowie einen veränderten Knochenmetabolismus auslösen. Dieser führte drei Tage nach der Operation zu weniger mineralisiertem Knochen bei mehr knorpeligen sowie nicht-mineralisierten Knochenanteilen in den Versuchsgruppen im Vergleich zu der unbehandelten Kontrollgruppe. Trotz einem häufigeren Vorkommen von Osteoklasten im Markraum der Versuchsgruppen konnte kein Übergreifen der Infektion auf den kortikalen Knochen nachgewiesen werden und damit zeigten sich keine Anzeichen einer chronischen Osteomyelitis. Allerdings konnte eine zunehmende Häufigkeit der Bakterien und der neutrophilen Granulozyten von ersten zum dritten postoperativen Tag beobachtet werden. Dies belegt, dass trotz einer Voraktivierung das Immunsystem der Ratten die Infektion nicht eindämmen konnte. Die zunehmende Bakterien- und Osteoklastenhäufigkeit im Markraum zusammen mit einem nicht ausbalancierten Knochenmetabolismus in einigen Proben drei Tage nach der Infektion war ein Hinweis auf eine potentielle Entwicklung zu einer chronischen Osteomyelitis. Mit dem angewendeten histologischen Scoring-System konnte nicht nur eine akute Osteomyelitis diagnostiziert werden, sondern es ließen sich auch früh (drei Tag nach der Operation) Anzeichen eines gestörten Knochenumbaus erkennen und in Zusammenhang mit einer potentiell chronischen Osteomyelitis bringen. Osteomyelitis is inflammation of the bone marrow and therefore difficult to diagnose. If osteomyelitis occurs in combination with an intramedullary implant, it is difficult to treat, and mostly the implant needs to be removed and replaced after healing. Therefore, new therapeutic methods and implants are the focus of current research on implant-associated infections. A promising approach was followed in this project by the preoperative application of cytosine-phosphate guanosine oligodeoxynucleotides (CpG-ODN). CpG ODNs are non-methylated DNA motifs which may have an immunostimulating effect and thereby a protective effect against bacterial infections.The aim of this study was the development of a new histological scoring system for the diagnosis of osteomyelitis as well as histological studies on the efficiency of preoperatively applied CpG-ODN against the establishment of an infection.Preoperative intramuscular administration of CpG ODNs did not prevent infection in the used rat model. In all pretreated animals, the surgery with an intramedullary tibia implant and a bacterial infection of 105 CFU originated signs of acute osteomyelitis (tissue infiltration with neutrophilic granulocytes and bacteria) and altered bone metabolism. This resulted in less mineralized bone three days after surgery with more cartilaginous and non-mineralized bone fractions in the experimental groups compared to the untreated control group. Despite a more frequent occurrence of osteoclasts in the medullary cavity of the experimental groups, no infection spreading to the cortical bone could be detected and thus no signs of chronic osteomyelitis were detected. However, an increasing frequency of the bacteria and the neutrophilic granulocytes was observed from the first compared to the third postoperative day. This demonstrates that despite a pre-activation, the immune system of the rats could not control the infection. The increasing bacterial and osteoclastic frequency in the medullary cavity combined with an unbalanced bone metabolism in some samples three days after infection indicated a potential development to chronic osteomyelitis. The histological scoring system was not only used to diagnose acute osteomyelitis, additionally early signs of disturbed bone remodeling were identified three days after surgery and linked to potentially chronic osteomyelitis.