Protheseninfektionen Der diagnostische Aspekt - Dr. Julia Ebner Institut für Hygiene, Mikrobiologie und Tropenmedizin - infektiologie.co.at
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Protheseninfektionen Der diagnostische Aspekt Dr. Julia Ebner Institut für Hygiene, Mikrobiologie und Tropenmedizin Ordensklinikum Linz Elisabethinen
Epidemiologie
– Risiko nach Hüft-/ Knie-TEP 0,5-2%, höher bei Schulter- und
Ellbogenprothesen 3-4% (Beobachtungszeit 2 Jahre nach Implantation)
o Höheres Risiko (Faktor 10) bei Revisionsprothesen
– 60-70% aller Infektionen treten innerhalb der ersten beiden Jahre nach
Implantation auf
– Im Jahr 2009 in den USA Kosten durch Protheseninfektionen: 566 Millionen
Dollar (nur direkte Kosten), für 2020 Anstieg auf 1,62 Milliarden Dollar
geschätzt
Kurtz et al. J. Arthroplasty, 2012
Infektionswege
– Erregerinokulation im Rahmen der Operation
o Nur sehr geringe Infektionsdosis zur Etablierung eines Biofilms notwendig
• Tierexperimentell 102 colony forming units (CFU) S. aureus ausreichend
– Kontinuierliche Ausbreitung einer Infektion angrenzender Gewebe
o Direkt postoperativ ausgehend von oberflächlichen Wundinfektionen
o Im Verlauf nach Trauma oder Operation
o Schädigung des umgebenden Weichteilmantels
– Hämatogene Infektion im Rahmen von Bakteriämien
o S. aureus-Bakteriämie: bis zu 40% Risiko von Protheseninfektion
o Andere Erreger: orale Streptokokken, Enterokokken, Enterobakterien
Klinik und Erregerspektrum
Early onset Delayed onset Late onset
< 3 Monate nach > 3 Monate > 12 Monate
Operation < 12 Monate
Intraoperative Intraoperative Hämatogen, selten
Kontamination Kontamination intraoperativ
Zeichen akuter Anhaltende Plötzlich akute
Infektion (Rötung, Schmerzen, frühe Symptome od.
Schwellung, Prothesenlockerung subaktuer Verlauf je
Schmerz, nach Erreger
Wundheilungsstörun
g)
S. aureus, aerobe Propionibacterium S. aureus, betahäm.
gramnegative spp., KNS, Streptokokken,
Erreger Enterokokken Enterobakterien, P.
acnes
Seltene Erreger
– Candida spp.
– Mycobacterium tuberculosis
o Im Rahmen einer pulmonalen Infektion oder als Erstmanifestation
– Atypische Mykobakterien: M. fortuitum, M. chelonae, M. smegmatis, M.
abscessus
– Coxiella burnetii
o Kulturell nicht nachweisbar
– Brucella spp.
o v.a. in Endemiegebieten
(in Europa Türkei, Griechenland, Balkanländer)
Klinischer Verdacht auf
Protheseninfektion
• Anhaltende Sekretion im Bereich des Operationsgebiets bzw. Fistelbildung
• Akut schmerzhafte Prothese
• Chronischer Schmerz im Bereich der Prothese, v.a. bei fehlendem
schmerzfreien Intervall nach Implantation
• Z.n. oberflächlicher oder tiefer Wundinfektion oder Wundheilungsstörung
postoperativ
• Frühe Prothesenlockerung
Präoperative Evaluierung
– Anamnese (inkl. mikrobiologischer Vorbefunde und antimikrobieller
Vortherapie) und klinische Untersuchung
– Bestimmung von CRP und BSG
– Gelenkspunktion, wenn Protheseninfektion nicht schon klinisch eindeutig
vorliegt
o Leukozytenzahl, Neutrophilenanteil, bakteriologische Kultur
o Bei klinisch stabilen Patienten nach Möglichkeit Punktion nach antibiotikafreiem
Intervall von 2 Wochen
– Abnahme von Blutkulturen bei abrupt einsetzender Symptomatik, Fieber,
Hinweis auf systemische Infektion
– Konventionelles Röntgen
IDSA Guideline PJI 2013Entzündungsmarker im Serum
– Leukozytenzahl
– Blutsenkungsgeschwindigkeit
– C-reaktives Protein
– Procalcitonin (PCT)
o Problematische Interpretation postoperativ, bei Patienten mit Erkrankungen des
rheumatoiden Formenkreises (CRP u. BSG)
o Normale Entzündungsparameter schließen (insbesondere low grade)
Protheseninfektion keinesfalls aus!Schnelltests aus Synovialflüssigkeit
– Leukozytenesterase – ⍺- und β-Defensin
o Colorimetrischer Streifentest, o z.B. lateral flow device
je nach Studie Sensitivitäten von 65- als POCT
85%, Spezifität 80-100% o PPV 78%, NPV 98%
o In MSIS Consensus Statement als (Berger et al., Bone Joint J 2017)
Alternative zu Zellzahl angeführt
o Für stark blutige Proben ungeeignet
Zentrifugieren verbessert SpezifitätZellzahl in Synovialflüssigkeit
– KTEP: ≥1700 Leukozyten/μL, ≥65% Neutrophile
– HTEP: ≥ 4200 Leukozyten/μL, ≥80% Neutrophile
– Zellzahl nicht verwertbar innerhalb der ersten 6 Wochen nach Implantation
und bei chronisch entzündlichen Gelenkserkrankungen
– Andere Parameter wie Glucose, Lactat oder CRP bringen keinen
diagnostischen Mehrwert
Corvec et al., Int J Artif Organs 2012Entzündungsreaktion im Gewebe
– Untersuchung der periprothetischen
Membran
– Abriebinduzierter Typ I
– Infektiöser Typ II
– Abriebinduzierter und infektiöser Typ
III (Mischtyp)
– Indifferenter Typ IV
(nichtabriebinduziert, nichtinfektiös)
– >5 Neutrophile pro High Power Field
(HPF) in 5 HPFs bei 400-facher
Vergrößerung
Morawietz et al., Pathologe 2004– Infektiöser Typ mit
Granulationsgewebe aus
Kapillarproliferaten
(Pfeilspitzen), Fibroblasten und
neutrophilen Granulozyten
(Pfeile)
Morawietz et al., Pathologe 2004MSIS/IDSA Kriterien
– A sinus tract communicates with the prosthesis OR
– A pathogen is identified on culture of ≥2 separate samples of periprosthetic
tissue or fluid (IDSA: virulent pathogen recovered from ≥1 sample) OR
– 4 of the 6 criteria below are present:
o Serum ESR and serum CRP concentration are elevated.
o Synovial WBC count is elevated or leucocyte esterase is ++ (MSIS).
o Synovial neutrophil percentage is elevated.
o Purulence is found in the involved joint.
o A microorganism is isolated in 1 periprosthetic tissue or fluid culture.
o >5 neutrophils per HPF in 5 HPFs are detected on histological analysis of
periprosthetic tissue at 400× magnification.Diagnostische Herausforderungen für die Mikrobiologie – Biofilme – Small Colony Variants
Biofilmbildung
– Biofilmbildung schützt Erreger vor
Umwelteinflüssen (antimikrobielle
Substanzen) und Immunantwort
des Wirts (Opsonisierung,
Phagozytose etc.)
– Planktonische Bakterien haften an
Prothesenoberfläche an, einzelne
Zellen bilden Zellaggregate =
Mikrokolonien
– Angeheftete Erreger bilden
extrazelluläre Polymere
– Freisetzung von Signalmolekülen
kann veränderte Genexpression
der Bakterienzellen induzieren ->
quorum sensing.
Jensen et al.: APMIS 2017 Jan; 125(1): 38–45.Small Colony Variants Subpopulationen von v.a. Staphylococcus spp., Enterococcus spp., Pseudomonas aeruginosa • Reduzierte Teilungsraten • Atypische Zellmorphologie • Veränderte Pigmentbildung • Geringere Stoffwechselleistung Problem in der phänotypischen Resistenztestung, Identifizierung durch biochemische Reaktionen erschwert
E. faecalis Wildtyp und SCV
Wellinghausen, JCM 2009Konventionelle mikrobiologische
Diagnostik – kultureller Nachweis
– Prothese bzw. sonstiges explantiertes Material
– 3 – 6 Gewebeproben
o Je geringgradiger makroskopisch die Entzündung desto mehr Gewebeproben
o In getrennten Gefäßen einsenden
o Austrocknen von Gewebeproben unbedingt vermeiden!
– keine intraoperativen Abstriche
– Abstriche aus Fistelgängen, oberflächlichen Wunden etc. wenig geeignet ->
hohe Kontaminationsrate
– Inokulation von Synovialflüssigkeit in Blutkulturflaschen möglich, nicht als
alleinige Diagnostik
– Schnellstmöglicher Transport ins Labor, ggf. nach Vorankündigung
– Bei V.a. Mykobakterien Information an das Labor
MiQ 18 (2014)Homogenisierung von Gewebeproben
Beadmill processing
Homogenisierung mit Metall-
oder Glaskügelchen
In Studien vergleichbare
Sensitivität und
Kontaminationsrate wie
Sonikation von Prothesen
Auch für nicht
prothesenassoziierte
Infektionen geeignet
www.ika.com/laboratory-equipment/products/dispersers/products/1810/ultra-turrax-tube-drive-controlSonikation
Vorbehandlung von Implantatmaterial
mittels niederfrequenten Ultraschalls
(20-120kHz)
Bakterien werden nicht abgetötet sondern
mittels Mikroströmungen, Scherkräften
und oszillierenden Kavitationsblasen
von der Implantatoberfläche abgelöst.
Semiquantitativ nachweisbare
Bakterienmenge um ein vielfaches
vergrößert, insbesondere bei
vorangegangener Antibiotikatherapie
signifikante Steigerung der Sensitivität
Trampuz et al. NEJM 2007Probeneingang in sterilem Gefäß Direkt nach Entnahme Überführen des Implantats in sterilen luftdicht verschließbaren, explizit für die Ultraschallbehandlung geeigneten Behälter Austrocknen vermeiden
Vorbereitung Im Labor Auffüllen des Probengefäßes mit sterilem NaCl 0,9% (oder steriler Ringerlösung)
Vorbereitung 30 Sekunden kräftiges Schütteln
Sonikation Einbringen des Gefäßes in Ultraschallbad (enthält entsalztes Wasser), 60 Sekunden Beschallung bei 40 kHz Gefäß muss dicht verschlossen sein, Gefahr der Kontamination mit Nasskeimen
Anlage
Aufbringen von 100 µl
Sonikat auf Universal- und
Idealmedium, gleichmäßig
verspateln
Inokulation von
Flüssigmedien mit
zentrifugiertem Sonikat
zur AnreicherungGegenüberstellung Sonikat - Gelenksbiopsie
Ergebnis nach 24 Stunden
Bebrütung
Zusätzliche Gewinnung
von Gewebeproben erhöht
Sensitivität und Spezifität,
bis zu 6 Proben sinnvollBefunddauer
– Beimpfung von aeroben Festmedien
o 72h Bebrütung
– Beimpfung von anaeroben Festmedien
o 120h Bebrütung
– Beimpfung von Flüssignährmedien
o 9 Tage Bebrütung, Subkultur und weitere 5 Tage Bebrütung
Dauer bis zum Endbefund mindestens 14 Tage
MiQ 18 (2014)Multiplex-PCR aus Primärmaterial oder
Anreicherung
– Definiertes Primerset für die häufigsten Erreger von Protheseninfektionen
o CAVE: seltene Erreger eventuell nicht erfasst, Abdeckung muss bekannt sein
– Reihe von Resistenzgenen (z.B. mecA/mecC für Oxacillinresistenz bei
Staphylokokken) miterfasst
– Kurze turn around time (wenige Stunden), einfach zu bedienen
– Sensitivität in Multicenterstudie deutlich geringer als optimierte Kultur (58%
Übereinstimmung bei pos. Kultur), v.a. bei niedriger Keimlast
– Höhere Sensitivität v.a. bei antibiotisch vorbehandelten Patienten
o Methode nicht von lebensfähigen Mikroorganismen abhängig
Malandain et. al, CMI 2017MALDI-TOF aus Flüssigkultur
– Massenspektrometrische Identifizierung von Erregern
o In vielen Labors Standardmethode zur Identifizierung von auf Festmedien
kultivierten Kolonien
o bislang Direktnachweis aus Flüssigmedien nur aus BK
– Einbringen von Material in Brain Heart Infusion (BHI) oder Thioglykolatbouillon
– Trübung als Wachstumsindikator
– Sonikation und Zentrifugation erhöht die Genauigkeit
– Nur Speziesbestimmung möglich, keine Keimzahl, bislang keine Aussage
über Resistenzverhalten
Oviaño et. al. CMI 2017Ansatz zur nichtivasiven Diagnostik
– Serologischer Nachweis von IgG-Antikörpern gegen häufige Erreger von
Protheseninfektionen
o Multiplex Assay mit rekombinanten Antigenen von S.
aureus/epidermidis/lugdunensis, Streptococcus agalactiae, Propionibacterium
acnes
o Je nach Erreger Sensitivitäten von 66 (P. acnes) bis 75% (S. agalctiae)
Marmor et al., JCM 2016
o Unterstützend bei unklaren mikrobiologischen Befunden?
o Bislang nicht kommerziell erhältlich, CE-Zertifizierung laufend (BJI Inoplex®)Zusammenfassung – Diagnose kann nur in Zusammenschau aller Befunde gestellt werden – Problematische Interpretation einzelner positiver Kulturbefunde, insbesondere bei Nachweis niedrigpathogener Erreger – Molekularbiologische Verfahren steigern Nachweisrate v.a. bei antibiotisch vorbehandelten Patienten, nicht als alleinige Detektionsmethode geeignet – Nichtinvasive Diagnoseverfahren bislang nicht verfügbar – Richtige Präanalytik ist essentiell für einen aussagekräftigen mikrobiologischen Befund
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