Die Virulenzbestimmung von S. aureus Keimen von Patienten mit Implantat-assoziierten Knocheninfektionen mittels in-vivo-, in-vitro- und Biofilmuntersuchungen im Vergleich zum klinischen Verlauf

Abstract

Implantat-assoziierte oder periprothetische Infektionen zählen zu den schwierigsten Krankheitsbildern in der Unfallchirurgie und Orthopädie. Die Infektion eines Implantates oder einer Prothese mit Bakterien führt zu langwierigen komplikationsreichen Krankheitsverläufen und ist mit erheblichen finanziellen Belastungen für die Gesundheitssysteme verbunden.Die frühzeitige und individuell angepasste Diagnostik zur Verbesserung der Behandlung ist Gegenstand der Forschung. In dieser Arbeit wurde das Virulenzverhalten von acht S. aureus Isolaten aus Patienten mit Implantat-assoziierten Infektionen anhand des in-vivo Galleria mellonella-Infektionsmodells, der in-vitro Osteoblasteninfektion, sowie der Biofilmbildung miteinander verglichen und kategorisiert. Weiterhin wurde untersucht, ob hoch virulente Erreger mit einer akuten Infektion und niedrig virulente Erreger mit einer chronischen Infektion assoziiert sind.Hierzu wurden die Galleria mellonella mit acht verschiedenen Staphylococcus aureus Stämmen mit einer Infektionsdosis von 106 infiziert. Die Virulenz der Bakterien wurde durch die prozentuale Überlebensrate der Gallerien gemessen. Aufgrund der Ergebnisse wurde ein Stamm als niedrig-virulent, drei Stämme als intermediär-virulent und vier Stämme als hoch-virulent eingestuft. Im Folgenden wurde die Invasionsfähigkeit und das Proliferationsverhalten der acht S. aureus Stämme an der SAOS-2 osteoblast-like Zelllinie untersucht. Die Stämme, EDCC 5458 und EDCC 5460 wurden als hoch virulent , EDCC 5457, EDCC 5461, EDCC 5456 als intermediär virulent und EDCC 5455, EDCC 5459, EDCC 5464 als niedrig virulent eingestuft. Mittels Kristallviolett-Färbung wurde die Fähigkeit zur Biofilmbildung der Stämme untersucht. EDCC 5455, EDCC 5459, EDCC 5460 und EDCC 5464 wurden als schwach adhärent eingestuft. EDCC 5457, EDCC 5456, EDCC 5458 und EDCC 5461 als stark adhärent . Zusätzlich ergaben real-time PCR Untersuchungen, dass alle getesteten Stämme das Virulenzfaktor-Gen alpha-Hämolysin exprimieren, im Gegensatz dazu aber keiner der Stämme das Panton-Valentine Leukozidin-Gen exprimiert. Die Untersuchung der Aktivität und Funktionalität wurde nicht vorgenommen.Die letztendliche Kategorisierung der S. aureus Stämme ergab einen niedrig virulenten Erreger EDCC 5464, sechs intermediär virulente Erreger (EDCC 5455, EDCC 5457, EDCC 60, EDCC 5461, EDCC 5456) und einen hoch virulente Erreger EDCC 5458. Der als einziger MRSA-Keim intermediär virulente Erreger EDCC 5456 muss hierbei gesondert betrachtet werden. Durch die unterschiedliche Ausstattung an Virulenzgenen, sowie die Resistenz gegenüber einer großen Bandbreite von Antibiotika ist ein Verglecih mit den MSSA-Keimen schwer möglich. Folgestudien mit weiteren MRSA-Keimen könnten hier einen vergleichenden Aufschluß der Keimvirulenz liefern.Letztendlich korrelierte der als niedrig virulent eingestuften MSSA-Erreger mit einer chronischen Infektion, und der als hoch virulent eingestufte MSSA-Erreger mit einer akuten Infektion.Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit ein unterschiedliches Virulenzverhalten von Staphylococcus aureus Stämmen, aus Implantat-assoziierten Infektionen. Die weitere Auswertung ergab, dass das Virulenzverhalten der Keime mit dem klinischen Erscheinungsbild korrelierte. Somit konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass ein als hoch virulent eingestufter Keim für ein akutes Bild der Implantat-Infektion verantwortlich ist, wohingegen ein niedrig viruenter Erreger verursachend für eine chronische Infektion. Diese Ergebnisse sind aufgrund der niedrigen Fallzahl statistisch nicht signifikant, zeigen jedoch einen eventuell vorliegenden Trend. Weitere Untersuchungen zur Aufschlüsselung und Kategorisierung des Virulenzverhalten von Staphylococcus aureus Keimen im Vergleich zum klinischen Bild der Infektion sind wünschenswert. Aufgrund dessen ist das Fazit dieser Studie, dass die Untersuchung der Keimvirulenz bei Implantat-assoziierten Infektion als zusätzliches Tool in der Diagnostik anvisiert werden sollte, um Therapiekonzepte frühzeitig individuell zu beeinflussen. Implant-associated infections (IABI), caused by Staphylococcus aureus, are one of the most difficult clinical pictures in orthopaedics and trauma surgery. In many cases IABI results in prolonged and complex progression of disease. The financial burden for health care systems is huge. The focus of the present investigation was to study virulence properties of eight different S. aureus clinical isolates from acute and chronic IABI by means of their in vivo lethality, in vitro osteoblast invasion and biofilm formation. The used insect infection model with Galleria mellonella revealed high, intermediate and low virulence phenotypes of these clinical isolates, which showed good correlation with osteoblast invasion and biofilm formation assays. The strains were categorised in low virulent , intermediate virulent and high virulent . The investigation revealed six intermediate virulent strains (EDCC 5455, EDCC 5457, EDCC 60, EDCC 5461, EDCC 5456), one high virulent strain EDCC 5458 and one low virulent strain EDCC 5464. The intermediate categorized MRSA strain EDCC 5456 should be considered separately, as the constitution of virulence genes is different from the MSSA strains. Futher investigations of MRSA strains are recommended. Additional PCR real-time epxeriments revealed that alpha-hemolysin was expressed by all tested isolates but in none of them the expression of Panton-Valentine leucocidin was found. No testing of their acitivity or functionaltiy was carried out.In conclusion, the in vitro and in vivo investigations of eight different S. aureus strains from IABI demonstrated a diverse virulence. In addition, the results of the in vitro and in vivo experiments showed a good correlation with the clinical symptoms of the patients. The low virulent S. aureus EDCC 5464 lead to a chronic infection, the high virulent S. aureus EDCC 5458 lead to an acute infection in patients.These pilot-investigation can be considered as a starting point for a new way of clinical diagnostic in order to improve understading of pathogenesis and treatment of IABI.