Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Silke Paret

Entwicklung eines Tiermodells zur Untersuchung eines Biofilms und einer assoziierten

Entzündungsreaktion bei chirurgischen Implantaten

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107504

title (engl.)

Development of an animal model for the investigation of biofilms and the associated inflammatory reaction on surgical implants

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/parets_ws15.pdf

abstract (deutsch)

Implantatinfektionen sind sowohl in der Human- als auch in der Veterinärmedizin ein großes Problem in vielen Bereichen der Chirurgie und sehr häufig mit einer Biofilmbildung assoziiert. Aufgrund der abweichenden Verhaltensweisen der Bakterien in einem Biofilm gegenüber planktonischen Bakterien sind solche Infektionen sehr schwierig zu behandeln. Durch verschiedene Resistenzmechanismen sind konservative antimikrobielle Therapien in der Regel nahezu wirkungslos und das infizierte Implantat muss entfernt werden mit einem großzügigen Debridement des umgebenden Gewebes. Diese Behandlungen sind sehr kostenintensiv und haben gleichzeitig ein hohes Risiko einer erneuten Infektion. Aus diesem Grund befassen sich zahlreiche Arbeitsgruppen mit dem Thema der Implantatinfektionen und es gibt bereits einige Tiermodelle zu unterschiedlichen Implantaten im Körper. Bei vielen dieser Modelle ist jedoch kein direkter Nachweis eines Biofilms auf den Implantaten gelungen und gleichzeitig wird nur selten die Entzündungsreaktion des umgebenden Gewebes bewertet, obwohl diese entscheidend an den Vorgängen des Implantatversagens beteiligt ist.

Vor diesem Hintergrund sollte in diesem Dissertationsvorhaben ein Rattenmodell entwickelt werden, das sowohl praktikabel aufgrund der gewählten Standzeit und der verwendeten Methoden ist und gleichzeitig aussagekräftig die Biofilmbildung und die assoziierte Entzündungsreaktion bewertet.

Mittels einer intraoperativen Besiedlung von zwei Schrauben mit einem rattenpathogenen Staphylococcus aureus, die in die Schädelkalotte von Ratten eingebracht wurden, wurde eine intraoperative Kontamination von Implantaten mit einer anschließenden Implantatinfektion simuliert. Es wurden sowohl immunkompetente als auch mit Ciclosporin A immunsupprimierte Tiere verwendet, um einen Einfluss der Immunsuppression auf die Biofilmbildung zu evaluieren.

Nach zwei, zehn und 21 Tagen wurden die Tiere euthanasiert um die Entwicklung eines Biofilms auf der Implantatoberfläche mit Hilfe eines konfokalen Laser-Scanning-Mikroskops und einem Score zu evaluieren. Durch eine histologische Untersuchung der Schädelkalotten wurde die assoziierte Entzündungsreaktion ebenfalls mit Hilfe eines Scores beurteilt. Dafür wurden die Anzahl der Entzündungszellen, der Knochenumbau durch Osteoklasten, die Fremdkörperreaktion und die Fibrose jeweils einzeln mit einem Score bewertet.

Zu allen Zeitpunkten war bei den infizierten Tieren eine Biofilmbildung nachweisbar, die mit einer ausgeprägten Entzündungsreaktion einherging, wobei aufgrund der Ausprägung der unterschiedlichen Parameter zu den verschiedenen Zeitpunkten die Tage zehn und 21 als geeignet betrachtet werden können.

Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass sich die intraoperative Besiedelung eines Implantats mit Staphylococcus aureus eignet, um als Screening-Modell zur Untersuchung neuer Implantatmaterialien oder -oberflächen zu dienen um ihren Einfluss auf die Biofilmbildung und die assoziierte Entzündungsreaktion in vivo zu testen. Für spezielle Fragestellungen wäre jedoch eine Erweiterung der Methoden zur Auswertung möglich und sinnvoll.

abstract (englisch)

In human and in veterinary medicine implant infections is a major problem in most of the surgery fields and often associated with biofilm formation. These infections need long term and elaborate treatment because of the altered properties of bacteria in a biofilm in comparison to planktonic bacteria. They have several mechanisms of resistance against conservative antimicrobial treatment and the infected implant often needs to be removed with a large debridement. This therapy is very expensive and the risk of a new infection is high. For this reason, numerous working groups deal with the issue of implant infections and some animal models for different aspects of this topic are already available. Most of these models, however, did not detect bacteria directly on the implants. Further, the inflammatory reaction of the surrounding tissue has been evaluated only in a few cases although it is one of the main reasons of implant failure.

For this reason we aimed to develop a rat model for implant infection with a reasonable but short duration and direct detection of bacteria on the implants for evaluation of a biofilm and the associated inflammatory reaction.

During implantation of two titanium screws in the cranium of rats, an intraoperative contamination was simulated by giving Staphylococcus aureus in the drillholes. Immunocompetent and immunosuppressed rats (Ciclosporin A) were used to evaluate the influence of immunosuppression on biofilm formation.

Two, ten and 21 days after surgery, the implants and the cranial bone were harvested for examination. Biofilm formation on the implant surface was investigated with a confocal laser scanning microscope and rated with a score between zero and five. The cranial bone was evaluated histologically with a four parameter score for quantity of inflammatory cells, bone remodeling by osteoclasts, foreign-body reaction and fibrosis.

At every timepoint of analysis, biofilm formation and a significant higher inflammatory reaction was detectable on the infected animals. With respect to the severity of the different parameter used for histological evaluation, either day 10 or day 21 are considered appropriate for the use of this animal model.

In conclusion, we suggest that intra-operative contamination of implants with staphylococcus aureus can be used as a valid in-vivo screening-model to evaluate new implant materials and surfaces with respect to biofilm formation and the associated inflammatory reaction. However, an extension of the methods of analysis would be possible and useful for specific questions.

keywords

Biofilm, Implantat, Entzündung, Biofilm, implant, inflammation

kb

4.609