CD15-Fokus-Score: Ein immunhistochemisch basierter Score sowie die Mitentwicklung einer morphometrischen Software („CD15-Quantifier“) zur Infektionsdiagnostik in der periprothetischen Membran

Abstract

Einleitung: Ziel der vorliegenden Arbeit war es, durch die Entwicklung eines infektionspathologischen CD15-Fokus-Scores eine präzise Quantifizierung von neutrophilen Granulozyten in nur einem einzigen Gesichtsfeld zu erarbeiten, welcher eine bakterielle Infektionsdiagnostik in der periprothetischen Membran ermöglicht. Dadurch wurde es möglich (in Zusammenarbeit mit VMscope-Berlin), eine Software, den „CD15-Quantifier“, zu entwickeln, welcher automatisch CD15 positive neutrophile Granulozyten quantifiziert. Methoden: 91 intraoperativ im Rahmen einer Revisionsoperation entnommene periprothetische Membranen aus Hüfte (n=59) und Knie (n=32) wurden histopathologisch klassifiziert. Die Identifikation der neutrophilen Granulozyten erfolgte immunhistochemisch mittels eines CD15-spezifischen monoklonalen Antikörpers. Der quantifizierende Auswertungsmodus folgte dem Prinzip der fokalen Maximalinfiltration (Fokus) mit Bewertung eines einzigen Gesichtsfeldes (0,3mm2). Ergebnisse: Die periprothetischen Membranen der Patienten mit positivem mikrobiologischen Befund (n=47) weisen signifikant (p<0,001, Mann-Whitney-U-Test) mehr CD15 positive neutrophile Granulozyten pro Fokus auf als bei Patienten mit einem negativen mikrobiologischen Befund (n=44). Eine signifikant höhere Anzahl an CD15 positiven neutrophilen Granulozyten wurde in den periprothetischen Membranen gefunden, die histopathologisch als positiv (n=48) gelten, im Gegensatz zu denen die histopathologisch negativ (n=43) für eine Infektion waren. Mit Hilfe einer ROC-Kurve wurden 50 CD15 positive neutrophile Granulozyten pro Fokus als optimaler Schwellenwert bei der Diagnosestellung des periprothetischen Gelenkinfektes unter Anwendung des CD15-Fokus-Scores ermittelt. Wird der mikrobiologische Befund als Goldstandard verwendet, beträgt die Sensitivität des Diagnostikums 0,83, die Spezifität 0,864. (Positiv prädikativer Wert (PPV): 0,87; negativ prädikativer Wert (NPV): 0,83; Accuracy: 0,846; AUC: 0,878.) Werden die histopathologischen Kriterien der Konsensusklassifikation als Goldstandard verwendet, weist das Diagnostikum unter Anwendung des festgelegten Schwellenwertes eine Sensitivität von 0,875, eine Spezifität von 0,93 auf. (PPV: 0,93; NPV: 0,87; Accuracy: 0,901; AUC: 0,944). Bei einer Infektion mit hoch virulenten bakteriellen Erregern (n=14) sind signifikant mehr CD15 positive neutrophile Granulozyten pro Fokus vorhanden als bei einer mit niedrig virulenten (n=29). Mit Hilfe einer ROC- Kurve wurden 100 CD15 positive neutrophile Granulozyten pro Fokus als optimaler Schwellenwert bei der Diagnosestellung des periprothetischen Gelenkinfektes ermittelt, verursacht durch einen hoch virulenten bakteriellen Erreger. Die Sensitivität beträgt 1,0, die Spezifität 0,66. (PPV: 0,587; NPV: 1,0; Accuracy: 0,767; AUC: 0,863.) Die Präparate, die mit Hilfe des „CD15-Quantifiers“ ausgewertet (n=19) wurden, zeigten keinen signifikanten Unterschied zur histopathologischen Auswertung unter Anwendung des CD15-Fokus- Scores. Schlussfolgerung: Der infektionspathologische CD15-Fokus-Score und die dadurch ermöglichte Anwendung der Software „CD15-Quantifier“ reduziert durch die Automatisierung den konzentrationsaufwendigen und zeitkonsumierenden Prozess der mikroskopischen Zellauszählung und leistet somit einen Beitrag zur Standardisierung der Infektionsdiagnostik des periprothetischen Gelenkinfektes.

Introduction: The aim of this thesis was to devise a precise quantification of neutrophile granulocytes within a single focal point through the development of an infective-pathology CD15-Focus-Score which enables bacterial infection in the periprosthetic interface membrane to be diagnosed. This immunohistochemical approach made it possible (in collaboration with VMscope- Berlin) to develop "CD15-quantifier" software which automatically quantifies CD15-positive neutrophile granulocytes. Methods: 91 periprosthetic membranes removed during revision surgery from the hip (n=59) and knee (n=32) underwent histopathological classification. The neutrophile granulocytes were identified immunohistochemically by means of a CD15-specific monoclonal antibody. The quantitative evaluation of CD15-positive neutrophile granulocytes used the principle of maximum focal infiltration (focus) together with an assessment of a single focal point (0.3mm2). Results: The periprosthetic membranes of patients with positive microbiological findings (n=47) have significantly more (p<0.001, Mann-Whitney U test) CD15-positive neutrophile granulocytes per focal point than patients with negative microbiological findings (n=44). A significantly higher number of CD15-positive neutrophile granulocytes were found in those periprosthetic membranes testing positive for histopathological evidence of infection (n=48) compared with those testing negative (n=43). By means of a ROC curve, 50 CD15-positive neutrophile granulocytes per focal point were identified as the optimum threshold value when diagnosing infection of periprosthetic joints using the CD15-Focus-Score. If the microbiological findings are used as a 'gold standard' the diagnostic sensitivity is 0.83, the specificity 0.864. (Positive predictive value (PPV): 0.87; negative predictive value (NPV): 0.83; accuracy 0.846; AUC: 0.878.) If the histopathological criteria for the consensus classification are adopted as the gold standard, the diagnostic procedure using the threshold value achieves a sensitivity of 0.875, a specificity of 0.93. (PPV: 0.93; NPV: 0.87; accuracy: 0.901; AUC: 0.944). Thus significantly more CD15-positive neutrophile granulocytes per focal point were present in cases of infection with highly virulent bacteriological pathogens (n=14) than in infections with a low level of virulence (n=29). By means of a ROC curve, 100 CD15-positive neutrophile granulocytes per focal point were identified as the optimum threshold value when diagnosing infection of periprosthetic joints caused by highly virulent bacteriological pathogens. The sensitivity is 1.0 and the specificity 0.66. (PPV: 0.587; NPV: 1.0; accuracy: 0.767; AUC: 0.863.) The evaluation findings for the preparations using the "CD15-quantifier" (n=19) did not differ significantly from histopathological evaluation findings using the CD15-focus- score. Conclusion: The infective-pathology CD15-Focus-Score, and the use of the "CD15-quantifier" software which is thereby made possible, offers an automated procedure which shortens the mentally tiring and time-consuming process of microscopic cell-counting and thus makes a contribution towards the standardisation of tools for diagnosing infection of periprosthetic joints.