Μελέτη του κινδύνου εμφάνισης αιματογενούς λοίμωξης σε διαφόρων τύπων μεταλλικά εμφυτεύματα: πειραματική μελέτη σε κονίκλους

Abstract

Introduction: Periprosthetic joint infection (PJI) is one of the most devastating and in some cases even life threatening complications following total joint arthroplasty (TJA) with rates varying between 0.3–3% after primary total hip arthroplasty (THA) and 0.5–1.9% after primary total knee arthroplasty (TKA). The pathogenesis of orthopaedic implant-related infections is multi-factorial. Several factors, related to the patient, the implant, the surgical technique and the operating theatre environment are associated with the development of PJI. A number of implant-related factors, such as the size and shape of the implant, the technique and stability of fixation, the use of cement, the surface characteristics of the implant and the type of alloy and its biocompatibility can influence susceptibility to local infection. The ideal alloy for implantation should have favorable adhesion characteristics to reduce biofilm formation and enhance normal tissue reaction, have minimal corrosion ability and do not contain allergenic properties. Currently, porous surfaces with cobalt-chromium and titanium are widely used. The addition of a layer of calcium phosphate, such as hydroxyapatite or triphosphate enhances the surface osseointegration. According to Gristina's theory (“the race for the surface”), rapid tissue integration with a biologically active material (such as tantalum, hydroxyapatite and cancellous titanium) could result in a lower bacterial colonization and biofilm formation compared to other coatings such as titanium. Implant-related infections are categorized in two clinical entities, based on their pathogenicity. Direct postoperative infections, which are usually caused during surgery by direct contamination of the wound, and late postoperative infections, in which the first symptoms appear later, in variable timelines after surgery. It is usually the result of bacteremia and subsequent spread of bacteria. Nowadays, experimental models have been established and led to innovative therapies for fracture healing and the use of new osteosynthesis materials. A reliable experimental model of periprosthetic infections will lead to a better understanding of the pathogenesis and pathophysiology of these infections and most likely to new methods of prevention and treatment. However, there is still no ideal and widely acceptable experimental model for acute periprosthetic infections. In our laboratory, a validated and reliable experimental model has been established which was used in our study. The working hypothesis of our experimental study was that metal implants of different materials, including modern three-dimensional metal structures, used for cementless implantation, are less vulnerable to the development of infection. Materials and Methods: 50 male, skeletally mature (>3months), New Zealand white rabbits were used in this experimental study. 50 Cylinders of given dimensions (length: 40mm, diameter: 3.5mm) were used for implantation. Animals were randomly divided into 5 study groups consisting of 10 animals each. Smooth titanium (ST) rods were implanted in group A, rough, grit blasted (GB) titanium rods in group B, hydroxyapatite (HA) coated titanium rods in group C, trabecular metal (T) rods in group D and cancellous titanium (CT) rods in group E. An inoculum of standardized CA-MRSA strain - MLST-80 PVL+ clone of given concentration (3 × 108 cfu/ml) was given. The concentration of 3 × 108 cfu/ml was standardized and validated by our institution’s animal model and has proved adequate in developing implant-related infection without causing severe systematic reactions or death.All animals underwent a 2-stage surgical procedure in their right leg, under general anesthesia and sterile conditions. During the first stage, the medullary canal was opened with an awl, and the rods were “press fit” implanted in the proximal tibial metaphysis and diaphysis. Four weeks later, a longitudinal incision was made over the medial surface of the femur in order to gain access to the femoral artery and vein. The femoral artery was identified and with the use of a 26-gauge catheter, a 1 ml suspension of inoculum of the standardized bacteria was injected into the femoral artery of all animals of groups B, C, D and E. In group A, 1 ml of sterile saline was injected in a similar way (control group). Subjects were euthanized 8 weeks after the first procedure and samples were harvested for pull out tests, conventional and PCR cultures, and histopathology study. Results: Local infection was observed in 6 animals: 3 in Group B; 1 in Group C, 1 in Group D, and 1 in Group E. Statistically significant changes were found when Group B (GB titanium) was compared to other groups. 2 specimens in Group B (grit-blasted titanium) were found to have interface lucent lines indicating septic loosening. In the pull-out tests, the interface separation load was statistically significantly higher (p <0.05) in the hydroxyapatite-coated group (group C) compared to the other groups, while statistically significant differences were found between Groups D and E (Tantalum and Cancellous Titanium) with those of Group B (GB titanium) and with the control group (group A) (p <0.05). The number of the specimens (conventional cultures and PCR studies) contaminated by the standardized pathogen was as follows: Group A: 0/10, Group B: 7/10, Group C: 6/10, Group D; 5/10, and Group E: 5/10. Comparing the number of colony form units isolated from the implant samples, Group B (GB titanium) showed statistically significantly higher values (Mann-Whitney test) compared to Group C (p = 0.044), Group D (p = 0.040) and Group E (p = 0.038). Based on the semi-quantitative histopathological score, the differences between the samples were not enough to achieve a statistically significant difference. Conclusion: Modern cementless implants (trabecular metal and cancellous titanium) show a lower risk of implant contamination and late clinical haematogenous infection.

Εισαγωγή: Η λοίμωξη μετά από ολική αρθροπλαστική είναι μια πολύ σοβαρή, ακόμα και απειλητική, για τη ζωή επιπλοκή της ορθοπαιδικής χειρουργικής με ποσοστά που κυμαίνονται από 0.3%-3% μετά από επέμβαση ολικής αρθροπλαστικής ισχίου και 0.5%-1.9% μετά από ολική αρθροπλαστική γόνατος. Πολλοί παράγοντες σχετικοί με τον ασθενή, το εμφύτευμα, τη χειρουργική τεχνική και το χειρουργικό περιβάλλον δύνανται να συμβάλλουν στην εκδήλωση μιας τέτοιας σοβαρής επιπλοκής. Οι παράγοντες οι σχετικοί με το εμφύτευμα περιλαμβάνουν το μέγεθος και το σχήμα του εμφυτεύματος, την τεχνική και τη σταθερότητα της τοποθέτησης, τα χαρακτηριστικά επιφανείας του εμφυτεύματος, τη χρήση ή όχι τσιμέντου και τέλος τον τύπο του μετάλλου που χρησιμοποιείται και τη βιοσυμβατότητά του. Το ιδανικό κράμα για την κατασκευή εμφυτεύματος θα πρέπει να έχει καλή ιστοσυμβατότητα, ευνοϊκότερα χαρακτηριστικά προσκόλλησης ώστε να μειώνει το σχηματισμό βιομεμβράνης και την φυσιολογική ιστική αντίδραση, να έχει ελάχιστο βαθμό διάβρωσης και να μην περιέχει αλλεργιογόνα χαρακτηριστικά. Επί του παρόντος, πορώδεις επιφάνειες με κοβάλτιο-χρώμιο και αυτές με τιτάνιο χρησιμοποιούνται ευρέως. Η προσθήκη στρώματος με φωσφορικό ασβέστιο όπως ο υδροξυαπατίτης και το τριφωσφορικό άλας προάγει το ρυθμό ενσωμάτωσης της επιφάνειας για οστική διείσδυση αλλά και την επιφάνεια αύξησης του οστού. Σύμφωνα με την θεωρία του Gristina για την παθογένεια της λοίμωξης του εμφυτεύματος (αγώνας ταχύτητας για την επιφάνεια), μία γρήγορη ιστική ενσωμάτωση με ένα βιολογικά δραστικό υλικό (όπως το ταντάλιο, το στρώμα υδροξυαπατίτη και το σπογγώδες τιτάνιο) θα μπορούσε να καταλήξει σε μία μικρότερη βακτηριακή αποίκιση σε σχέση με την επικάλυψη της επιφάνειας από μία αργή ιστική αντίδραση(όπως το τιτάνιο). Οι λοιμώξεις οι σχετικές με τα εμφυτεύματα κατηγοριοποιούνται βάση της παθογένειας τους σε δύο κλινικές οντότητες. Τις άμεσες μετεγχειρητικές λοιμώξεις, οι οποίες μπορούν να προκληθούν κατά τη διάρκεια της επέμβασης με άμεση μόλυνση του τραύματος, και τις απώτερες μετεγχειρητικές λοιμώξεις, στις οποίες τα πρώτα συμπτώματα εμφανίζονται σε απώτερο χρόνο από την εγχείριση. Συνήθως είναι το αποτέλεσμα αιματογενούς διασποράς βακτηρίων. Στις μέρες μας, έχουν καθιερωθεί πειραματικά μοντέλα που οδήγησαν στην εισαγωγή καινοτόμων θεραπειών σχετικά με την επούλωση των καταγμάτων και τη χρήση νέων επιφανειών οστεοενσωμάτωσης. Ένα αξιόπιστο πειραματικό μοντέλο περιπροθετικών λοιμώξεων θα οδηγήσει στην περαιτέρω διαλεύκανση της παθογένειας και παθοφυσιολογίας των περιπροθετικών λοιμώξεων και πιθανώς σε νέα μέτρα πρόληψης και θεραπείας. Παρόλα αυτά δεν υπάρχει ακόμα πειραματικό μοντέλο, ιδανικό για τον έλεγχο οξέων περιπροθετικών λοιμώξεων. Στο πειραματικό μας εργαστήριο έχει αναπτυχθεί ένα ελεγμένο και αξιόπιστο πειραματικό μοντέλο που προσομοιάζει απώτερη αιματογενή λοίμωξη σε κονίκλους, το οποίο και χρησιμοποιήθηκε στη δική μας μελέτη. Υπόθεση εργασίας της πειραματικής μας μελέτης ήταν ότι μεταλλικά εμφυτεύματα από διαφορετικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων και σύγχρονων τρισδιάστατων μεταλλικών δομών, που χρησιμοποιούνται για σύνδεση χωρίς τσιμέντο, είναι λιγότερο ευαίσθητα στην ανάπτυξη λοίμωξης. Υλικό και Μέθοδος: Πενήντα αρσενικά, σκελετικά ώριμα (μεγαλύτερα των 3 μηνών), λευκά κουνέλια Νέας Ζηλανδίας χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη. Πενήντα προθέσεις τοποθετήθηκαν σε 50 τυχαία επιλεγμένα πειραματόζωα, σε 5 ομάδες των 10 ζώων. Στην ομάδα μελέτης Α τοποθετήθηκαν ράβδοι από λείο τιτάνιο (smooth titanium,ST), στη B από τραχεία επιφάνεια τιτανίου (grit blasted titanium, GB), στη Γ ράβδοι τιτανίου με επικάλυψη υδροξυαπατίτη (HA coated titanium, HA), στην ομάδα Δ δοκιδωτό μέταλλο από ταντάλιο (trabecular metal, T) και στην ομάδα Ε, ράβδοι σπογγώδους τιτανίου (cancellous titanium, CT). Ο μικροοργανισμός που επιλέχθηκε για ενοφθαλμισμό ήταν στέλεχος MRSA το οποίο ανήκει στον κλώνο MLST-80 και παράγει Panton-Valentin-Leucocidin (PVL) σε διάλυμα 1ml βακτηριακού εναιωρήματος συγκέντρωσης 3x108 cfu/ml, το οποίο βάσει των αποτελεσμάτων του προηγουμένου πειραματικού μοντέλου ήταν αρκετό για να προκαλέσει λοίμωξη στην άρθρωση, χωρίς μεγάλο κίνδυνο για συστηματικές αντιδράσεις και ενδεχομένως θάνατο. Ο χρησιμοποιούμενος παθογόνος μικροοργανισμός ήταν «στανταρισμένος». Η ομάδα Α χρησιμοποιήθηκε ως ομάδα ελέγχου και έγινε έγχυση 1ml φυσιολογικού ορού. Χειρουργική επέμβαση 2 σταδίων διενεργήθηκε σε όλα τα ζώα. Όλες οι επεμβάσεις εκτελέστηκαν στο δεξί κάτω άκρο, υπό γενική αναισθησία και άσηπτες συνθήκες. Κατά την πρώτη επέμβαση, γινόταν προετοιμασία του αυλού της κνήμης για την press-fit εμφύτευση των αποστειρωμένων ράβδων. Στη δεύτερη επέμβαση, 4 βδομάδες μετά, πραγματοποιήθηκε παρασκευή της μηριαίας αρτηρίας και έγχυση του βακτηριακού εναιωρήματος. Τέλος, μετά το πέρας άλλων 4 εβδομάδων, τα πειραματόζωα υπόκεινταν σε ευθανασία και τα δείγματα της κνήμης λαμβάνονταν για βακτηριολογικό, εμβιομηχανικό και ιστοπαθολογικό έλεγχο. Αποτελέσματα: Σε 6 κονίκλους διαπιστώθηκε εικόνα τοπικής λοίμωξης μετά το 2ο χειρουργείο. Τρία ανήκαν στην ομάδα Β (GB titanium), και από ένα στις ομάδες Γ (HA coated titanium), Δ (trabecular metal) και Ε (cancellous titanium). Στατιστικά σημαντική διαφορά βρέθηκε στη σύγκριση της ομάδας Β με τις υπόλοιπες ομάδες. Στον ακτινολογικό έλεγχο μόνο 2 δείγματα της ομάδας Β ανιχνεύθηκαν με ακτινοδιαυγαστικές γραμμές ενδεικτικές για σηπτική χαλάρωση. Στις δοκιμασίες ελκυσμού (pull out tests), παρατηρήθηκε ότι το φορτίο διαχωρισμού της διεπιφάνειας ήταν στατιστικά σημαντικά υψηλότερο (p<0.05) στα δοκίμια με κάλυψη υδροξυαπατίτη (ομάδα C) σε σύγκριση με τις υπόλοιπες ομάδες, ενώ στατιστικά σημαντικές διαφορές ανευρέθηκαν και στη σύγκριση δοκιμίων τανταλίου (ομάδα D) και σπογγώδους τιτανίου (ομάδα Ε) με αυτά των ομάδων GB τιτανίου (ομάδα Β) και με την ομάδα ελέγχου (ομάδα Α) (p<0.05). Η εξέταση για ανίχνευση της λοίμωξης μέσω συμβατικών καλλιεργειών και PCR πραγματοποιήθηκε σε τρία διαφορετικά ανατομικά μέρη, το μεταφυσιακό οστούν, την διεπιφάνεια πρόθεσης-εμφυτεύματος στον αυλό, και στο ίδιο το εμφύτευμα. Όσον αφορά το εμφύτευμα, βρέθηκε μεγαλύτερη ανάπτυξη καλλιεργειών στην ομάδα Β με στατιστικά σημαντική διαφορά και επομένως υπεροχή των ομάδων Γ, Δ, Ε ως προς την ομάδα Β. Μελετώντας τις καλλιέργειες που αναπτύχθηκαν στη διεπιφάνεια εμφυτεύματος – οστού στατιστικά σημαντικές διαφορές βρέθηκαν μεταξύ όλων των ομάδων (p=0.032). Και εδώ είχαμε μεγαλύτερη ανάπτυξη καλλιεργειών στην ομάδα Β. Όσον αφορά τον έλεγχο των δειγμάτων από το μεταφυσιακό οστό δεν βρέθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές (p=0.7). Στηριζόμενοι στο ημιποσοτικό ιστοπαθολογικό score, οι διαφορές μεταξύ των δειγμάτων ήταν μικρές και όχι ικανές να καταδείξουν στατιστικώς σημαντική διαφορά. Συμπέρασμα: Μεταλλικά εμφυτεύματα από νέα υλικά, όπως trabecular metal and cancellous titanium, που εμφυτεύονται χωρίς τη χρήση τσιμέντου, έχουν μικρότερο κίνδυνο βακτηριακού αποικισμού και εμφάνισης απώτερης μετεγχειρητικής λοίμωξης. Η ερμηνεία των αποτελεσμάτων μας μπορεί να γίνει βάσει δύο θεωρήσεων. Η μία είναι η θεωρία του Gristina για την παθογένεια των λοιμώξεων, βάσει της οποίας, η ταχεία ενσωμάτωση ενός βιοδραστικού υλικού όπως το trabecular metal, το cancellous titanium και το HA-coated titanium μπορεί να οδηγήσει σε πιο δύσκολο και μικρότερο σε έκταση αποικισμό βακτηρίων σε σχέση με ένα εμφύτευμα που ενσωματώνεται με πιο αργό ρυθμό όπως το Co-Cr ή το GB titanium. Η άλλη θεωρία είναι ότι κάποια υλικά όπως το trabecular metal, το cancellous titanium και το HA-coated titanium έχουν εγγενή αντιμικροβιακή δράση.