Evaluation and development of a new diagnostic tool for early and reliable diagnostic of prosthetic joint infection

Abstract

Background: Periprosthetic joint infection (PJI) results in high morbidity, prolonged treatment and considerable healthcare expenses. Preoperative diagnosis of PJI is critical for optimal treatment. Determination of leukocyte count in synovial fluid is currently used as an independent criterion for the diagnosis of PJI in definition criteria. Nevertheless, leukocyte count lacks either sensitivity or specificity for diagnosing PJI in specific cases. Due to subtle inflammation of the periprosthetic tissue and stationary-growth of microorganisms in biofilm, low-grade PJI may be missed. On the other hand, in the early postoperative period, the physiologic healing process cannot be distinguished by synovial fluid leukocyte count from PJI. D-lactate is a product of bacterial metabolism and can be used as pathogen-specific biomarker for diagnosis of PJI. The aim of this study is to evaluate the performance of D-lactate in synovial fluid as an independent diagnostic marker for diagnosis of early and delayed / late PJI using standard diagnostic criteria and to compare it with synovial fluid leukocyte count. Methods: Patients with suspected infection of prosthetic hip, knee or shoulder were included in the prospective analysis. The joint aspiration was performed either before or during the revision surgery. PJI was diagnosed according to the working criteria of the European Bone and Joint Infection Society (EBJIS). The synovial fluid D-lactate was determined spectrophotometrically at 570 nm, synovial fluid leukocytes were counted by flow cytometry. The receiver operating characteristic (ROC) analysis was performed to assess the diagnostic performance of investigated parameters. Results: Of 148 patients, 44 (30%) were diagnosed with PJI and 104 (70%) with aseptic failure. For diagnosis of PJI, the sensitivity of synovial fluid D-lactate (at cut-off 1.263 mmol/l) was 86.4% and the specificity was 80.8%. The AUCs of D-lactate concentration and leukocyte count were 90.3% and 91.0%, respectively (p=0.8). Virulence of the pathogen did not influence the D-lactate concentration (p=0.123). The synovial fluid erythrocyte concentration correlated with D-lactate in patients with aseptic failure (ρ = 0.339, p <0.01). Conclusion: In this prospective study synovial fluid D-lactate showed similar performance to the leukocyte count for diagnosis of PJI. For the D-lactate calculation only 50 µl synovial fluid is required. The test has short turnaround time and low cost. Due to its positive correlation in aseptic failures, the interference of the erythrocytes with D-lactate cannot be excluded. The overall diagnostic performance of D-lactate test is promising. For its use in the clinical environment, the specific role in low-grade and early postoperative infection should be examined.

Hintergrund: Periprothetische Gelenkinfektionen (PPI) führen zu einer hohen Morbidität, einer längeren Behandlungsdauer und erheblichen Gesundheitsausgaben. Die präoperative Diagnose von PPI ist entscheidend für eine optimale Behandlung. Die Bestimmung der Leukozytenzahl in der Synovialflüssigkeit wird aktuell als ein unabhängiges Kriterium für die Diagnose von PPI in den Definitionskriterien verwendet. Trotzdem zeigt die Leukozytenzahl eine begrenzte Sensitivität oder Spezifität in gewissen Situationen. Durch subtile Entzündung des periprothetischen Gewebes und der stationären Wachstumsphase der Mikroorganismen im Biofilm können „low-grade“ PPI verpasst werden. Andererseits kann in der frühen postoperativen Phase die Leukozytose in der Synovialflüßigkeit von der frühen postoperativen Infektion aufgrund des physiologischen Heilungsprozess nicht sicher differenziert werden. D-Laktat ist ein Produkt des bakteriellen Stoffwechsels und kann als ein Pathogen-spezifischer Biomarker für die Diagnose von PPI verwendet werden. Das Ziel dieser Arbeit ist das Leistungspotential von D-Laktat in der Synovialflüssigkeit als unabhängiger diagnostischer Marker für die Diagnose einer frühen und verzögerten / späten PPI zu bewerten. Die Leistung von D-Laktat und Leukozytenzahl in der Synovialflüssigkeit wurden mittels standardisierten diagnostischen Kriterien untersucht und miteinander verglichen. Methoden: Patienten mit Verdacht auf eine Infektion der Hüft-, Knie- oder Schulterprothese wurden in die prospektive Analyse eingeschlossen. Die Aspiration der Synovialflüssigkeit wurde entweder vor oder während der Revision durchgeführt. PPI wurde gemäß den Arbeitskriterien der European Bone and Joint Infection Society (EBJIS) definiert. Das D-Laktat aus der Synovialflüssigkeit wurde spektrophotometrisch bei 570 nm bestimmt, die Leukozyten der Synovialflüssigkeit wurden durchflusszytometrisch gezählt. Die diagnostische Leistung der untersuchten Parameter wurde mittels der ROC-Analyse (Receiver Operating Characteristic) durchgeführt. Ergebnisse: Von 148 Patienten wurde bei 44 (30%) eine PPI und bei 104 (70%) eine aseptische Ursache diagnostiziert. Die Sensitivität des D-Laktats für die Diagnose einer PPI (bei einem Grenzwert von 1,263 mmol/l) betrug 86,4% und die Spezifität 80,8%. Die AUCs der D-Laktat-Konzentration und der Leukozytenzahl betrugen 90,3% bzw. 91,0% (p=0,8). Die Virulenz des Erregers hatte keinen Einfluss auf die D-Lactat-Konzentration (p = 0,123). Die Erythrozytenkonzentration in der Synovialflüssigkeit korrelierte mit dem D-Laktat bei Patienten mit aseptischem Versagen (ρ = 0,339, p <0,01). Schlussfolgerung: In dieser prospektiven Studie zeigte das D-Laktat in der Synovialflüssigkeit eine ähnliche Leistung wie die Leukozytenzahl für die Diagnose der PPI. Für die Bestimmung des D-Laktats sind nur 50 µl Synovialflüssigkeit notwendig, der Test hat eine kurze Durchlaufzeit und ist kostengünstig. Wegen einer positiven Korrelation in aseptischem Fällen kann eine Interferenz zwischen den Erythrozyten und dem D-Laktat nicht ausgeschlossen werden. D-Laktat ist ein vielversprechender Biomarker für die Diagnostik von PPI. Für die Etablierung des Tests im klinischen Alltag wäre seine spezifische Rolle bei ”low-grade” und früh postoperativen Infektionen zu untersuchen.