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Erschienen in: Der Orthopäde 12/2015

01.12.2015 | Leitthema

Pathophysiologie der implantatassoziierten Infektion

Vom Biofilm zur Osteolyse und septischen Lockerung

verfasst von: Prof. Dr. C. Wagner, G.M. Hänsch

Erschienen in: Die Orthopädie | Ausgabe 12/2015

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Zusammenfassung

Biofilmbildung ist der entscheidende Faktor in der Pathogenese der implantatassoziierten Infektion. Staphylokokken-Spezies sind die häufigsten Erreger; sie gehören als Opportunisten zur physiologischen Hautflora. Initialer Schritt der Biofilmbildung ist die Adhäsion der Bakterien; die Besiedlung erfolgt bevorzugt auf Fremdoberflächen. Der Biofilm stellt als interaktive symbiotische „Wohngemeinschaft“ eine effiziente Überlebensstrategie der Bakterien dar. Bei klinischer Infektion induziert der Biofilm eine lokale Immunantwort mit Infiltration phagozytotischer Abwehrzellen. Das proinflammatorische Mikromilieu verursacht über eine Stimulierung der Osteoklastogenese eine lokale Osteolyse und damit letztendlich die septische Lockerung des Implantats. Entsprechend der Biofilmtheorie wird ein implantaterhaltendes Vorgehen nur beim Frühinfekt mit stabilem Implantat empfohlen; bei allen später auftretenden Infekten bzw. bei Lockerungszeichen sollte eine Entfernung des Implantats erfolgen. Bisherige Antibiofilmtherapien zeigen nur eingeschränkte Erfolge, sodass sich die aktuelle Forschung auf die Prävention der Infektion, insbesondere auf die Modifikation der Implantatoberflächen, konzentriert. Zur Entwicklung innovativer interdisziplinärer Therapie- und Präventionsstrategien sind Grundkenntnisse der Pathophysiologie unabdingbare Voraussetzung; es werden daher wesentliche Aspekte der Biofilmbildung, ihre Folgen sowie ihre Bedeutung für Therapie und Prävention dargestellt und diskutiert.
Literatur
1.
Zurück zum Zitat Agarwal A, Singh KP, Jain A (2010) Medical significance and management of staphylococcal biofilm. FEMS Immunol Med Microbiol 58:147–160CrossRefPubMed Agarwal A, Singh KP, Jain A (2010) Medical significance and management of staphylococcal biofilm. FEMS Immunol Med Microbiol 58:147–160CrossRefPubMed
2.
Zurück zum Zitat Bjarnsholt T, Alhede M, Eickhardt-Sørensen SR et al (2013) The in vivo biofilm. Trends Microbiol 21:466–474CrossRefPubMed Bjarnsholt T, Alhede M, Eickhardt-Sørensen SR et al (2013) The in vivo biofilm. Trends Microbiol 21:466–474CrossRefPubMed
3.
Zurück zum Zitat Costerton JW (2005) Biofilm theory can guide the treatment of device-related orthopaedic infections. Clin Orthop Rel Res 437:7–11CrossRef Costerton JW (2005) Biofilm theory can guide the treatment of device-related orthopaedic infections. Clin Orthop Rel Res 437:7–11CrossRef
4.
Zurück zum Zitat Costerton JW, Stewart PS, Greenberg EP (1999) Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections. Science 284:1318–1326CrossRefPubMed Costerton JW, Stewart PS, Greenberg EP (1999) Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections. Science 284:1318–1326CrossRefPubMed
5.
Zurück zum Zitat Dapunt U, Lehner B, Burckhardt I et al (2014a) Evaluation of implant sonication as a diagnostic tool in implant-associated infections. J Appl Biomat Funct Mater 12:135–140 Dapunt U, Lehner B, Burckhardt I et al (2014a) Evaluation of implant sonication as a diagnostic tool in implant-associated infections. J Appl Biomat Funct Mater 12:135–140
6.
Zurück zum Zitat Dapunt U, Giese T, Lasitschka F et al (2014b) Osteoclast generation and cytokine profile at prosthetic interfaces: a study on tissue of patients with aseptic loosening or implant-associated infections. Eur J Inflamm 12:147–159 Dapunt U, Giese T, Lasitschka F et al (2014b) Osteoclast generation and cytokine profile at prosthetic interfaces: a study on tissue of patients with aseptic loosening or implant-associated infections. Eur J Inflamm 12:147–159
7.
Zurück zum Zitat Dapunt U, Giese T, Lasitschka F et al (2014c) On the inflammatory response in metal-on-metal implants. J Transl Med 12:74. doi:10.1186/1479-5876-12-74 Dapunt U, Giese T, Lasitschka F et al (2014c) On the inflammatory response in metal-on-metal implants. J Transl Med 12:74. doi:10.1186/1479-5876-12-74
9.
Zurück zum Zitat Flemming HC, Wingender J (2010) The biofilm matrix. Nat Rev Microbiol 8:623–633 Flemming HC, Wingender J (2010) The biofilm matrix. Nat Rev Microbiol 8:623–633
10.
Zurück zum Zitat Gaida MM, Mayer B, Stegmaier S et al (2012) Polymorphonuclear neutrophils in osteomyelitis: link to osteoclast generation and bone resorption. Eur J Inflamm 10:413–426 Gaida MM, Mayer B, Stegmaier S et al (2012) Polymorphonuclear neutrophils in osteomyelitis: link to osteoclast generation and bone resorption. Eur J Inflamm 10:413–426
12.
Zurück zum Zitat Geipel U, Hermann M (2004) Das infizierte Implantat. Teil 1. Bakteriologie. Orthopäde 33:1411–1428CrossRefPubMed Geipel U, Hermann M (2004) Das infizierte Implantat. Teil 1. Bakteriologie. Orthopäde 33:1411–1428CrossRefPubMed
13.
Zurück zum Zitat Gest H (2004) The discovery of microorganisms by Robert Hooke, Antoni Van Leeuwenhoek, fellows of the royal Society. Notes Rec R Soc Lond 58:187–201CrossRefPubMed Gest H (2004) The discovery of microorganisms by Robert Hooke, Antoni Van Leeuwenhoek, fellows of the royal Society. Notes Rec R Soc Lond 58:187–201CrossRefPubMed
15.
Zurück zum Zitat Gristina AG (1987) Biomaterial-centered infection: microbial adhesion versus tissue integration. Science 237:1588–1595CrossRefPubMed Gristina AG (1987) Biomaterial-centered infection: microbial adhesion versus tissue integration. Science 237:1588–1595CrossRefPubMed
16.
Zurück zum Zitat Hänsch GM (2012) Host defence against bacterial biofilms: „Mission impossible“? ISRN Immunol. doi:10.5402/2012/853123 Hänsch GM (2012) Host defence against bacterial biofilms: „Mission impossible“? ISRN Immunol. doi:10.5402/2012/853123
17.
Zurück zum Zitat Høiby N, Bjarnsholt T, Moser C et al (2015) ESCMID guideline for the diagnosis and treatment of biofilm infections 2014. Clin Microbiol Infect 21(Suppl1):S1–S25CrossRefPubMed Høiby N, Bjarnsholt T, Moser C et al (2015) ESCMID guideline for the diagnosis and treatment of biofilm infections 2014. Clin Microbiol Infect 21(Suppl1):S1–S25CrossRefPubMed
18.
Zurück zum Zitat Jacqueline C, Caillon J (2014) Impact of bacterial biofilm on the treatment of prosthetic joint infections. J Antimicrob Chemother 69 (Suppl1):i37–i40CrossRefPubMed Jacqueline C, Caillon J (2014) Impact of bacterial biofilm on the treatment of prosthetic joint infections. J Antimicrob Chemother 69 (Suppl1):i37–i40CrossRefPubMed
19.
Zurück zum Zitat Lehner B, Witte D, Suda A et al (2009) Revisionsstrategie bei der Protheseninfektion. Orthopäde 38:681–689CrossRefPubMed Lehner B, Witte D, Suda A et al (2009) Revisionsstrategie bei der Protheseninfektion. Orthopäde 38:681–689CrossRefPubMed
21.
Zurück zum Zitat Moermann M, Thederan M, Nackchbandi I et al (2008) Lipopolysaccharides (LPS) induce the differentiation of human monocytes to osteoklasts in a tumour necrosis factor (TNF) α-dependent manner: a link between infection and pathological bone resorption. Mol Immunol 45:3330–3337CrossRef Moermann M, Thederan M, Nackchbandi I et al (2008) Lipopolysaccharides (LPS) induce the differentiation of human monocytes to osteoklasts in a tumour necrosis factor (TNF) α-dependent manner: a link between infection and pathological bone resorption. Mol Immunol 45:3330–3337CrossRef
22.
Zurück zum Zitat Nelson CL, McLaren AC, McLaren SG et al (2005) Is aseptic loosening truly aseptic? Clin Orthop Relat Res 437:25–30CrossRefPubMed Nelson CL, McLaren AC, McLaren SG et al (2005) Is aseptic loosening truly aseptic? Clin Orthop Relat Res 437:25–30CrossRefPubMed
23.
Zurück zum Zitat Neu TR, Manz B, Volke F et al (2010) Advanced imaging techniques for assessment of structure, composition and function in biofilm systems. FEMS Microbiol Ecol 72:1–21CrossRefPubMed Neu TR, Manz B, Volke F et al (2010) Advanced imaging techniques for assessment of structure, composition and function in biofilm systems. FEMS Microbiol Ecol 72:1–21CrossRefPubMed
24.
Zurück zum Zitat Neut D, van Horn JR, van Kooten TG (2003) Detection of Biomaterial-associated infections in orthopaedic joint implants. Clin Orthop 413:261–268CrossRefPubMed Neut D, van Horn JR, van Kooten TG (2003) Detection of Biomaterial-associated infections in orthopaedic joint implants. Clin Orthop 413:261–268CrossRefPubMed
25.
Zurück zum Zitat Obst U, Marten SM, Niessner C et al (2012) Diversity of patients microflora on oethopaedic and dental implants. Int J Artif Organs 35:727–734PubMed Obst U, Marten SM, Niessner C et al (2012) Diversity of patients microflora on oethopaedic and dental implants. Int J Artif Organs 35:727–734PubMed
26.
Zurück zum Zitat Olsen I (2015) Biofilm-specific antibiotic tolerance and resistance. Eur J Clin Microbiol Infect Dis 34:877–886CrossRefPubMed Olsen I (2015) Biofilm-specific antibiotic tolerance and resistance. Eur J Clin Microbiol Infect Dis 34:877–886CrossRefPubMed
28.
Zurück zum Zitat Rochford ET, Richards RG, Moriarty TF (2012) Influence of material on the development of device-associated infections. Clin Microbiol Infect 18:1162–1167CrossRefPubMed Rochford ET, Richards RG, Moriarty TF (2012) Influence of material on the development of device-associated infections. Clin Microbiol Infect 18:1162–1167CrossRefPubMed
29.
Zurück zum Zitat Schierholz JM, Beuth J (2001) Implant infections: a haven for opportunistic bacteria. J Hosp Infect 49:87–93CrossRefPubMed Schierholz JM, Beuth J (2001) Implant infections: a haven for opportunistic bacteria. J Hosp Infect 49:87–93CrossRefPubMed
30.
Zurück zum Zitat Schierholz JM, Morsczeck C, Brenner N et al (2004) Besonderheiten der implantatassoziierten Infektion in der orthopädischen Chirurgie. Orthopäde 33:397–404CrossRefPubMed Schierholz JM, Morsczeck C, Brenner N et al (2004) Besonderheiten der implantatassoziierten Infektion in der orthopädischen Chirurgie. Orthopäde 33:397–404CrossRefPubMed
31.
Zurück zum Zitat Schmidmaier G, Lucke M, Wildemann B et al (2006) Prophylaxis and treatment of implant-related infections by antibiotic-coated implants: a review. Injury 37(Suppl2):S105–S112CrossRefPubMed Schmidmaier G, Lucke M, Wildemann B et al (2006) Prophylaxis and treatment of implant-related infections by antibiotic-coated implants: a review. Injury 37(Suppl2):S105–S112CrossRefPubMed
32.
Zurück zum Zitat Trampuz A, Piper KE, Jacobsen MJ et al (2007) Sonication of removed hip and knee prostheses for diagnosis of infection. N Engl J Med 16:654–663CrossRef Trampuz A, Piper KE, Jacobsen MJ et al (2007) Sonication of removed hip and knee prostheses for diagnosis of infection. N Engl J Med 16:654–663CrossRef
33.
Zurück zum Zitat Wagner C, Kondella K, Bernschneider T et al (2003) Posttraumatic osteitis: analysis of inflammatory cells recruited into the site of infection. Shock 20:503–510CrossRefPubMed Wagner C, Kondella K, Bernschneider T et al (2003) Posttraumatic osteitis: analysis of inflammatory cells recruited into the site of infection. Shock 20:503–510CrossRefPubMed
34.
Zurück zum Zitat Wagner C, Hänsch GM, Wentzensen A et al (2006) Die implantatassoziierte posttraumatische Osteitis. Bakterielle Biofilme und Infektabwehr als Protagonisten der lokalen Entzündungsreaktion. Unfallchirurg 109:761–769CrossRefPubMed Wagner C, Hänsch GM, Wentzensen A et al (2006) Die implantatassoziierte posttraumatische Osteitis. Bakterielle Biofilme und Infektabwehr als Protagonisten der lokalen Entzündungsreaktion. Unfallchirurg 109:761–769CrossRefPubMed
35.
Zurück zum Zitat Wilkins M, Hall-Stoodley L, Allan RN et al (2014) New approaches to the treatment of biofilm-related infections. J Infect 69(Suppl1):S47–S52CrossRefPubMed Wilkins M, Hall-Stoodley L, Allan RN et al (2014) New approaches to the treatment of biofilm-related infections. J Infect 69(Suppl1):S47–S52CrossRefPubMed
36.
Zurück zum Zitat Williams P, Winzer K, Chan WC et al (2007) Look whoʼs talking: communication and quorum sensing in the bacterial world. Phil Trans R Soc B 362:119–1134CrossRef Williams P, Winzer K, Chan WC et al (2007) Look whoʼs talking: communication and quorum sensing in the bacterial world. Phil Trans R Soc B 362:119–1134CrossRef
37.
Zurück zum Zitat Wolcott R, Costerton JW, Raoult D et al (2013) The polymicrobial nature of biofilm infection. Clin Microbiol Infect 19:107–112CrossRefPubMed Wolcott R, Costerton JW, Raoult D et al (2013) The polymicrobial nature of biofilm infection. Clin Microbiol Infect 19:107–112CrossRefPubMed
38.
Zurück zum Zitat Yang L, Liu Y, Wu H et al (2012) Combating biofilms. FEMS Immunol Med Microbiol 65(2):146–157CrossRefPubMed Yang L, Liu Y, Wu H et al (2012) Combating biofilms. FEMS Immunol Med Microbiol 65(2):146–157CrossRefPubMed
39.
Zurück zum Zitat Yano MH, Klautau GB, da Silva CB et al (2014) Improved diagnosis of infection associated with osteosynthesis by use of sonication of fracture fixation implants. J Clin Microbiol 52:4176–4182PubMedCentralCrossRefPubMed Yano MH, Klautau GB, da Silva CB et al (2014) Improved diagnosis of infection associated with osteosynthesis by use of sonication of fracture fixation implants. J Clin Microbiol 52:4176–4182PubMedCentralCrossRefPubMed
40.
Zurück zum Zitat Zimmerli W, Moser C (2012) Pathogenesis and treatment concepts of orthopaedic biofilm infections. FEMS Immunol Med Microbiol 65(2):158–168CrossRefPubMed Zimmerli W, Moser C (2012) Pathogenesis and treatment concepts of orthopaedic biofilm infections. FEMS Immunol Med Microbiol 65(2):158–168CrossRefPubMed
Metadaten
Titel
Pathophysiologie der implantatassoziierten Infektion
Vom Biofilm zur Osteolyse und septischen Lockerung
verfasst von
Prof. Dr. C. Wagner
G.M. Hänsch
Publikationsdatum
01.12.2015
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in
Die Orthopädie / Ausgabe 12/2015
Print ISSN: 2731-7145
Elektronische ISSN: 2731-7153
DOI
https://doi.org/10.1007/s00132-015-3183-z

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