Treatment of implant-associated infections essentially differs from the one of aseptic implant failure. Therefore, an accurate diagnosis of the underlying cause of implant failure is crucial. Conventional diagnostic methods such as culture or leukocyte count of synovial fluid have limited sensitivity and specificity. Therefore, novel, innovative strategies for improved (more accurate and faster) diagnosis of implant-associated infections are needed. The aim of this work was to improve the diagnosis of implant-associated infections: (1) to evaluate the performance of D-lactate (bacterial metabolite) in synovial fluid as independent diagnostic marker; (2) to investigate the activity of chemical methods (i.e. ethylenediaminetetraacetic acid and dithiothreitol) and mechanical methods (i.e. sonication) for biofilm dislodgement and evaluate their potential role in the routine microbiological diagnosis; (3) to investigate the influence of the implants material type, such as polyethylene, titanium and cobalt-chromium alloy, on the biofilm formation. Results showed that the optimal cut-off of synovial fluid D-lactate to differentiate periprosthetic joint infections (PJI) from aseptic failure (AF) was 1.3 mmol/L with sensitivity and specificity more than 94% and 88%, respectively, and was comparable to synovial fluid leukocyte count. The comparison of the ability of chemical and physical methods to dislodge bacterial biofilm in an established in vitro model of artificial biofilm showed that sonication dislodges significantly more bacteria compared to chemical method. The results were derived applying three independent methods: colony counts, isothermal microcalorimetry and scanning electron microscopy. Investigating the influence of implants’ biomaterial on microbial adhesion, the results reviled that polyethylene showed larger biofilm burden compared to metal alloys (titanium and cobalt-chromium alloy ), suggesting intrinsic differences in the ability of microorganisms to form biofilms on various biomaterials. This work demonstrated that D-lactate had good performance for the diagnosis of PJI and might be used as a highly sensitive and specific bacterial specific biomarker. In the intraoperative stage, sonication is the most sufficient method for bacterial biofilm dislodgement and bacterial detection. Using sonication, polyethylene showed higher bacterial load compared to metal alloys, indicating that microorganisms have different adhesion affinity on different biomaterials in vivo. Sonication of polyethylene liners may be sufficient to diagnose implant-associated infections rather than using the whole prosthesis.
Die Behandlung Implantat-assoziierter Infektionen unterscheidet sich wesentlich von der Behandlung eines aseptischen Implantatversagens. Daher ist eine genaue Diagnosestellung der zugrunde liegenden Ursache des Implantatversagens entscheidend. Herkömmliche diagnostische Verfahren wie die Kultur oder die Leukozytenzahl der Synovialflüssigkeit weisen eine begrenzte Sensitivität und Spezifität auf. Daher sind neuartige, innovative Strategien zur verbesserten (genaueren und schnelleren) Diagnosestellung Implantat-assoziierter Infektionen erforderlich. Ziel dieser Arbeit war es, die Diagnostik Implantat-assoziierter Infektionen zu verbessern: (1) Bewertung der Aussagekraft von D-Laktat (bakterieller Metabolit) in der Synovialflüssigkeit als unabhängiger diagnostischer Marker; (2) Untersuchung der Effektivität chemischer Methoden (d.h. Ethylenediaminetetraacetyl-Säure und Dithiothreitol) und mechanischer Methoden (d.h. Sonikation) zur Ablösung von Biofilmen und Bewertung derer Rolle bei der routinemäßigen mikrobiologischen Untersuchung ; (3) Untersuchung des Einflusses des Materials des Implantates wie Polyethylen, Titan und Kobalt-Chrom-Legierung auf die Biofilmbildung und den mikrobiellen Nachweis im Sonikat. Die Ergebnisse zeigten, dass der optimale Grenzwert für D-Laktat in der Synovialflüssigkeit zur Unterscheidung periprothetischer Infektionen (PPI) und aseptischer Lockerungen (AL) 1,3 mmol/L betrug mit einer Sensitivität und Spezifität von mehr als 94% und 88% . Der Vergleich der chemischen Methode und Sonikation zur Ablösung von Biofilmen zeigte, dass die Sonikation signifikant mehr Bakterien entfernen konnte. Die Untersuchung des Einflusses des Materials des Implantates auf die mikrobielle Adhäsion zeigte, dass Polyethylen eine größere Biofilmlast aufwies als Metalllegierungen (Titan und Kobalt-Chrom-Legierung ). Diese Arbeit zeigte, dass D-Laktat eine gute Performance für die Diagnosestellung von PPI aufweist und als sensitiver und bakterienspezifischer Biomarker verwendet werden kann. Bei der intraoperativen Diagnistik ist die Sonikation die effizienteste Methode zur Ablösung vom Biofilm und damit zum Bakteriennachweis. Die Sonikation des Polyethylens wies im Vergleich zu Metalllegierungen eine höhere Bakterienbelastung auf, was darauf hinweist, dass in vivo eine unterschiedliche Adhäsionsaffinität der Mikroorganismen an verschiedenen Biomaterialien besteht. Die alleinige Sonikation von Polyethyleninlays könnte deswegen für die Diagnostik von PPI ausreichend sein.
