Antibiofilm strategies to combat prosthetic joint infections caused by gram-negative bacteria

Abstract

PJIs remain a serious concern during implanting a prosthetic joint in clinical settings, and the successful eradication of the biofilm cells with the single conventional antibiotic therapies seems to be a major challenge in this field. With this thesis, the reported findings present two effective and promising strategies (conventional antibiotic combinations or phage-antibiotic combinations) against the gram-negative biofilms in vitro, we highlight the conventional antibiotic combinations is an efficient strategy against the susceptible gram-negative biofilms in vitro, and phage-antibiotic combinations bring new insights into the potential clinical application associated with MDR gram-negative bacterial PJIs. Further complimentary vivo and preclinical studies are needed to support these findings for PJIs.

Biofilme die auf der Oberfläche von Gelenkprothesen wachsen, sind hochgradig refraktär gegenüber der alleinigen konventionellen antimikrobiellen Therapie. Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa sind hauptverantwortlich für gramnegative Prothesengelenksinfektionen (prosthetic joint infections: PJI). Die erfolgreiche Eradikation stellt nach wie vor eine Herausforderung dar. Daher besteht dringender Bedarf hinsichtlich der Entwicklung alternativer therapeutischer Strategien, um gramnegative PJI zu eliminieren. So haben wir zwei vielversprechende Ansätze – die, konventionelle Antibiotika-Kombinationen und Phagen-Antibiotika-Kombinationen – gegen die gramnegativen bakteriellen Biofilme entwickelt. Ziel dieser Arbeit war es, die synergistische Antibiotika-Aktivität konventioneller Antibiotika-Kombinationen oder Phagen-Antibiotika-Kombinationen zur Bekämpfung gramnegativer bakterieller Biofilme in vitro zu untersuchen, um das Ergebnis der Behandlung gramnegativer PJIs zu verbessern. Basierend auf unseren Ergebnissen zeigten unter den getesteten konventionellen Antibiotika-Kombinationen 75 % der Fosfomycin/Gentamicin-Kombinationen synergistische Effekte und stellten einen vielversprechenden therapeutischen Ansatz für Antibiotika-Kombinationen gegen E. coli-Biofilme dar, während 71,4 % einen Gentamicin/Ciprofloxacin-Kombinationen Synergismus aufwiesen und die optimale Behandlungsoption für P. aeruginosa-Biofilme darstellten. In Bezug auf Bakteriophagen- Antibiotika-Kombinationen beobachteten wir im Allgemeinen eine höhere Biofilm- Aktivität nach gestaffelter Exposition mit den Bakteriophagen, gefolgt von dem Antibiotikum, im Vergleich zu einer gleichzeitigen Exposition mit beiden antimikrobiell wirkenden Substanzen. Die zweite Studie zeigte, dass die synergistische Antibiofilm- Aktivität für die klinischen und Labor-E. coli-Biofilme bei gestaffelter Exposition von Phagen/Ciprofloxacin-, Phagen/Fosfomycin- und Phagen/Meropenem-Kombinationen erreicht werden konnte, während der Synergismus bei der gleichzeitigen Exposition der Phagen/Fosfomycin Kombination nur in den beiden E. coli Stämmen erreicht wurde. Überraschenderweise zeigte die gestaffelte Exposition der Phagen/Ciprofloxacin- Kombination nicht nur eine synergistische Wirkung gegen den klinischen E. coli-Biofilm, der gegen Ciprofloxacin resistent ist, sondern auch ein deutlich niedrigeres MBECphage/MBECalone-Verhältnis. In ähnlicher Weise ergab die gestaffelte Exposition von S. aureus/P. aeruginosa-Biofilmen zuerst mit zwei Verschiedenen Phagen PYO+Sb- 1 und dann mit Ciprofloxacin eine signifikante Anti-Biofilm-Aktivität aus der dritten Studie, in der eine vollständige Eradikation des Biofilms bei einer Ciprofloxacin- Konzentration von 1 μg/mL erreicht werden konnte. Darüber hinaus zeigten unsere Ergebnisse auch die Zuverlässigkeit der neuartigen isothermen Mikrokalorimetrie (IMC) zur Bewertung der Anti-Biofilm-Aktivitäten im Vergleich zu routinemäßigen Sonikations-/Koloniezählungstests, bei denen der Wärmefluss proportional zur mikrobiellen Lebensfähigkeit und Stoffwechselaktivität in Echtzeit gemessen wird. Insgesamt ergab diese Studie, dass herkömmliche Antibiotikakombinationen in vitro eine effiziente Strategie gegen antibiotikaempfindliche Gram-negative Biofilme darstellen, und dass Phagen-Antibiotika-Kombinationen potentiell zur Bekämpfung multiresistender (MDR) gramnegativer bakterieller PJIs angewendet werden können. Für die klinische Anwendung der Phagen-Antibiotika-Kombinationen sind weitere vivo- und präklinische Studien erforderlich.