Cardiovascular infections (CVI) are increasingly common and pose potential life-threatening implications. Identifying causative microorganisms accurately is crucial for diagnosis and optimal therapy. However, challenges arise especially in cases with negative cultures due to prior antibiotic use or infections caused by fastidious microorganisms. Distinguishing skin flora as a contaminant or infectious agent poses another challenge. The objective of the studies presented in this dissertation was to investigate the potential benefits of applying the molecular imaging technique fluorescence in situ hybridization in combination with 16S rRNA-gene PCR and sequencing (FISHseq) in the diagnostics of CVI. The analysis was performed within three specific CVI categories: prosthetic valve endocarditis (PVE), nonvalvular cardiovascular device-related infections (NCDI) and native valve endocarditis (NVE). In all three publications, retrospective analyses were performed. In each study surgically explanted material underwent cultural diagnostics and was routinely examined by FISHseq. The results of both diagnostic approaches were compared. The article focused on PVE evaluated the diagnostic outcome of 113 prosthetic valves with suspected PVE. FISHseq improved the conventional cultural diagnostic methods in PVE in one third of the cases, thereby raising diagnostic accuracy. Out of the PVE cases with negative valve cultures, FISHseq succeeded to unequivocally identify the causative pathogen in 35%. The study analyzing explanted LVAD drivelines exemplifies the application of FISHseq in NCDI. In 11 out of 15 examined cases FISHseq enabled the diagnosis of LVAD driveline infections and identified the relevant key causative pathogen among several culture results and in culture negative infections. In four culture-negative cases FISHseq also yielded negative results. In the study aimed to verify the relevance and biofilm building potential of Aerococcus urinae in NVE a descriptive analysis of two cases was performed. Furthermore, a specific FISH probe was designed to enable direct in situ visualization of A. urinae. FISHseq was the sole technique that unambiguously identified A. urinae as the exclusive causative pathogen of NVE. In both cases, conventional techniques failed to identify the key causative pathogen promptly and accurately. In all three categories of CVI, FISHseq enhanced the diagnostic accuracy by acting as a valuable complement to conventional cultural methods. Beyond species identification, FISH provides insights into the infection severity and the condition of pathogens, such as biofilm formation stage, activity, and localization on and within the infected material. Furthermore, FISHseq has the potential to discriminate between causative infectious agents and contamination. The findings presented in this publication have been incorporated into the newly formulated Duke criteria, which allocate a higher significance to molecular diagnostics.
Kardiovaskuläre Infektionen (CVI) nehmen zu und haben potenziell lebensbedrohliche Folgen. Die Identifizierung der kausalen Mikroorganismen ist entscheidend für die Diagnose und Therapie. Probleme ergeben sich vor allem bei negativen Kulturen nach Antibiotikaeinnahme oder bei Infektionen durch fastidiöse Mikroorganismen. Eine weitere Herausforderung liegt im Erkennen der Hautflora als Kontaminant oder Infektionserreger. Die in dieser Promotionsarbeit vorgestellten Arbeiten hatten zum Ziel, den Nutzeffekt der Anwendung der molekularen Bildgebungstechnik Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung in Kombination mit 16S-rRNA-Gen-PCR und Sequenzierung (FISHseq) bei der Diagnostik von CVI zu erforschen. Die Analysen wurden innerhalb von drei CVI-Kategorien durchgeführt: Prothesenendokarditis (PVE), nichtvalvuläre kardiovaskuläre gerätebedingte Infektionen (NCDI) und native Klappenendokarditis (NVE). In jeder Studie wurde chirurgisch explantiertes Material einer kulturellen Diagnostik unterzogen und routinemäßig mittels FISHseq untersucht. Die Ergebnisse der beiden diagnostischen Ansätze wurden verglichen und retrospektiv analysiert. Der Artikel, der sich auf PVE konzentrierte, bewertete das diagnostische Resultat von 113 Klappenprothesen. FISHseq erhöhte die diagnostische Genauigkeit bei PVE in einem Drittel der Fälle. Von den PVE-Fällen mit negativen Klappenkulturen konnte FISHseq in 35 % der Fälle den ursächlichen Erreger zweifelsfrei identifizieren. Die Studie, in der 15 explantierte LVAD-Drivelines analysiert wurden, ist ein Beispiel für die Anwendung von FISHseq bei NCDI. In 11 Fällen erbrachte FISHseq die Diagnose von LVAD-Driveline-Infektionen und identifizierte den Haupterreger unter mehreren Kulturergebnissen. In vier kulturnegativen Fällen lieferte FISHseq ebenfalls negative Ergebnisse. In der Studie zur Verifizierung der Relevanz und des Biofilmbildungspotenzials von Aerococcus urinae in NVE wurde eine Analyse von zwei Fällen durchgeführt. Zudem wurde eine spezifische FISH-Sonde entwickelt, mit der A. urinae direkt in situ visualisiert werden kann. FISHseq war die einzige Technik, mit der A. urinae eindeutig als der einzige ursächliche Erreger von NVE identifiziert werden konnte. Konventionelle Techniken scheiterten bei der schnellen und genauen Ermittlung des Haupterreger in beiden Fällen. In allen drei CVI-Kategorien erhöhte FISHseq die diagnostische Genauigkeit, indem es eine Ergänzung zu den konventionellen kulturellen Methoden darstellte. Über die Identifizierung der Spezies hinaus gibt FISHseq Aufschluss über den Schweregrad der Infektion und den Zustand der Erreger, z. B. das Stadium der Biofilmbildung, die Aktivität und die Lokalisierung auf und in dem infizierten Material. Außerdem hat FISHseq das Potenzial, zwischen kausalen Infektionserregern und Kontaminationen zu unterscheiden. Die in dieser Publikation vorgestellten Erkenntnisse sind in die neu formulierten Duke-Kriterien eingeflossen, die der molekularen Diagnostik einen höheren Stellen-wert einräumen.
