The increasing use of indwelling foreign bodies has become essential in modern day clinical practice and it entails an enormously positive impact on human health. In consequence, the development of device-related infection, in particular prosthetic join infections, is also increasing and remains one of the major complications that scientists and clinicians face within orthopaedics nowadays. Biofilm formation play a pivotal role in implant-associated infections. Due to the increased tolerability of biofilms to antibiotic therapy, the treatment of biofilm infections is particularly challenging causing worldwide morbidity. While the frequency of infection following orthopaedic surgery is low, once infection occurs, the rates of reinfection are high. To avoid infection relapse, the complete eradication of the biofilm is of paramount importance, which requires high-quality evidence on the choice of antibiotics. However, routine susceptibility tests to determine antibiotic susceptibility do not reflect the ability of the antibiotic to kill bacteria when growing in a biofilm. Many in vitro biofilm models based on staining, molecular or microscopy techniques have been developed during the last decade for the evaluation of antibiofilm strategies, however no standard method have been established yet. Gram-positive bacteria present in the oral cavity, such as streptococci, Abiotrophia and Granulicatella species are mostly responsible for haematogenous device-infections, triggered by dental manipulation and remote infections. While these infections are rarer, their treatment presents a major challenge. The reduced effectiveness of current therapies against these bacterial species spurs research for the identification of optimized therapies with antibiofilm action. The aim of this work was to gain new insights about the most active antibiotics against biofilms from Streptococcus, Abiotrophia and Granulicatella species through the establishment of a reliable and highly sensitive in vitro method based on isothermal microcalorimetry (IMC). Using porous glass beads as a surface to grow biofilm on, we presented IMC as a suitable analytical tool for the investigation of biofilm-forming strains, including fastidious species, and their susceptibility to antimicrobials. Evaluation of the antimicrobial activity on streptococcal biofilms revealed a poor antibiofilm activity of benzylpenicillin and rifampicin (as monotherapy or in combination), rejecting the hypothesis that the addition of rifampicin to a β-lactam-antibiotic has a synergistic effect on streptococcal biofilms. A better outcome was found with two-pair antibiotic combinations where one of the antibiotics presented a putative killing effect on persiters, such as daptomycin or gentamicin. Our results also suggest that coupling a dispersal agent with conventional antibiotics may facilitate their access to the bacteria within the biofilm. Overall, this work provides a reliable in vitro model for biofilm testing and generates new data – previously unknown – relevant for the treatment of implant-associated infections caused by Streptococcus and related species, emphasizing the importance of choosing the best possible therapy for each type of bacterial infection.
Der zunehmende Einsatz von Implantaten ist in der modernen klinischen Praxis unerlässlich geworden und hat einen enorm positiven Einfluss auf die menschliche Gesundheit. Als Folge davon nimmt auch die Prävalenz von implantatassoziierten Infektionen, insbesondere von Infektionen der Gelenkprothesen, zu und bleibt eine der größten Komplikationen, mit denen Wissenschaftlern und Ärzte heutzutage in der Orthopädie konfrontiert sind. Die Biofilmbildung spielt eine zentrale Rolle bei implantatassoziierten Infektionen. Aufgrund der erhöhten Resistenz von Biofilmen in der Antibiotikatherapie ist die Behandlung von Biofilm-Infektionen besonders anspruchsvoll und führt zu einer weltweiten Morbidität. Während die Infektionshäufigkeit nach orthopädischen Eingriffen gering ist, sind die Reinfektionsraten nach einer Infektion hoch. Zur Vermeidung eines Infektionsrückfalls ist die vollständige Beseitigung des Biofilms von größter Wichtigkeit, was ein evidenzbasiertes, umfangreiches Wissen zur richtigen Antibiotikaauswahl voraussetzt. Routinemäßige Suszeptibilitätstests zur Bestimmung der Antibiotikasuszeptibilität spiegeln jedoch nicht die Fähigkeit des Antibiotikums wider, Bakterien abzutöten, wenn diese in einem Biofilm wachsen. Viele in vitro Biofilm-Modelle, die auf Färbe-, Molekular- oder Mikroskopie-Techniken basieren, wurden im letzten Jahrzehnt zur Bewertung von Anti-Biofilm-Strategien entwickelt, jedoch hat sich noch keine Standardmethode etabliert. Grampositive Bakterien im Mundraum, wie Streptokokken, Abiotrophia und Granulicatella Spezies, sind meist für hämatogene implantatassoziierte Infektionen verantwortlich, die durch Zahnmanipulation oder Ferninfektionen ausgelöst werden. Obwohl diese Infektionen seltener sind, stellt ihre Behandlung eine große Herausforderung dar. Die geringere Wirksamkeit der derzeitigen Therapien gegen diese Bakterienarten gibt der Forschung den Anstoß zur Identifizierung optimierter Therapien mit Antibiofilmwirkung. Ziel dieser Arbeit war es, neue Erkenntnisse über die aktivsten Antibiotika gegen Biofilme von Streptococcus, Abiotrophia und Granulicatella Spezies durch die Etablierung einer zuverlässigen und hochsensiblen in vitro Methode auf der Basis der isothermen Mikrokalorimetrie (IMC) zu erlangen. Unter Verwendung von porösen Glasperlen als Oberfläche für das Biofilmwachstum, konnten wir zeigen das die IMC als ein geeignetes analytisches Verfahren, zur Untersuchung von biofilmbildenden Stämmen, einschließlich anspruchsvoller Spezies, und ihrer Empfindlichkeit gegenüber antimikrobiellen Substanzen, ist. Die Auswertung der antimikrobiellen Aktivität gegen Streptokokken-Biofilme ergab eine schlechte Antibiofilmaktivität von Benzylpenicillin und Rifampicin (als Monotherapie oder in Kombination), was die Hypothese widerlegt, dass die Zugabe von Rifampicin zu einem β-Lactam-Antibiotikum eine synergistische Wirkung bei Streptokokken-Biofilmen hat. Ein besseres Ergebnis wurde bei Zwei-Paar-Antibiotika- Kombinationen gefunden, bei denen eines der Antibiotika einen mutmaßlich tödlichen Effekt auf „Persisters“ hat, wie z. B. Daptomycin oder Gentamicin. Unsere Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass die Kombination eines Dispersionsmittels mit herkömmlichen Antibiotika den Zugang zu den Bakterien innerhalb des Biofilms erleichtern kann. Insgesamt stellt diese Arbeit ein zuverlässiges in vitro Modell für die Biofilmprüfung dar und liefert neue – bisher unbekannte – Daten, die für die Behandlung von implantatassoziierten Infektionen durch Streptokokken und verwandten Spezies relevant sind, wobei vor allem auch betont wird, wie wichtig die Wahl der bestmöglichen Therapie für jede Art von bakterieller Infektion ist.
