Mikrobiell-metagenomische Analysen explantierter Osteosynthesematerialien mittels PCR/DHPLC und Kultur

Abstract

Osteosynthesen stellen eine bedeutende Behandlungsoption zur Versorgung von Knochenfrakturen dar. Dabei gehören Implantatinfektionen zu den gefürchtetsten Komplikationen, da sie neben dem Implantatversagen auch eine Quelle für disseminierte Infektionen darstellen. Bisher gibt es bezüglich der Diagnostik und Therapie Implantat-assoziierter Infektionen keine interdisziplinären evidenzbasierten Leitlinien. Das Ziel dieser Arbeit war nach Etablierung einer geeigneten Aufarbeitungsmethode der Erhalt fundierter Kenntnisse über Osteosynthesen besiedelnde Mikrobiota.Insgesamt wurden von 80 Patienten geplant explantierte Osteosynthesen untersucht. In Ermangelung einer Leitlinie und somit eines diagnostischen Goldstandards zur Feststellung bakterieller Besiedlung von Metallimplantaten wurde eine vollkommen neue Methodik der Implantat-Aufbereitung entwickelt und erprobt. Dabei wurde durch manuelles, systematisches Abbürsten der bakterielle Biofilm zerstört und die Bakterien so den Nachweismethoden zugänglich gemacht. Unter Anwendung von kulturellen Anzuchtmethoden, 16S rDNA PCR und denaturierender Hochdruckflüssigkeits-chromatographie (DHPLC) konnten bei über 70% der untersuchten Osteosynthesen Bakterien nachgewiesen werden. Bei annähernd einem Drittel der besiedelten Osteosynthesen konnte gezeigt werde, dass sogar polymikrobielle Besiedlungen vorlagen. Dabei bot das Keimspektrum neben den am häufigsten nachgewiesenen Staphylokokken beispielsweise Enterobakterien, Laktobazillen und Moraxellen und ist mit vorangegangenen Untersuchungen an Gelenkersatzmaterialien vergleichbar. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der Großteil der geplant explantierten Implantate bakteriell besiedelt war. Da davon auszugehen ist, dass die besiedelnden Bakterien auf den Implantaten in Biofilmen organisiert sind, wurden in-vitro-Tests auf die Fähigkeit der Biofilmbildung durchgeführt. Weiterhin wurden die Antibiotikasuszeptibilitäten ausgetestet und die klinischen Daten der Patienten mit nachweislich besiedelten Implantaten mit denen der Patienten ohne Besiedlung verglichen.

The method of internal fixation is an important option in the treatment of bone fractures. Implantinfections are among the most feared complications, they do not only cause implant failures but are also a source of disseminated infections.So far, regarding the diagnosis and treatment of implant-associated infections, there are no existing interdisciplinary evidence-based guidelines. The goal of this work was, after establishing a suitable working method, to obtain a proper understanding of the microbiota colonizing internal fixation devices. In this study the on schedule explanted fixation devices of 80 patients were under examination. In absence of a proper guideline and a diagnostic gold standard for detecting bacterial colonization of metal implants a completely new method of treatment was developed and tested. Therefore the bacterial biofilm was destroyed by manual systematic brushing of the implant, which made the the bacteria available for the detection methods.Applying cultural cultivation methods, 16S rDNA PCR and denaturing high performance liquid chromatography (DHPLC) colonizing bacteria could be detected in over 70% of the investigated fixation devices. We showed that in approximately one-third of those devices even polymicrobial settlements existed. In addition to the most commonly detected staphylococci the bacterial spectrum offered other microbiota such as enterobacteria, lactobacilli and moraxellae; those results are comparable to previous studies of joint replacement materials.In this study we were able to show, that the bulk of the explanted implants was colonized by bacteria. We assumed that the colonizing bacteria were organized in biofilms on the implants, so in vitro tests regarding the ability of biofilm formation were applied. Furthermore we determined antibiotic susceptibility and compared the clinical data of patients with evidence for colonization with those of patients without them.