Anheftung von Staphylococcus aureus auf verschiedenen Implantaten, die zur operativen Behandlung der destruktiven Spondylodiszitis eingesetzt werden

Abstract-Text deutsch

Einleitung

Die Spondylodiszitis ist aufgrund der zunehmend älteren Bevölkerung ein wachsendes Problem in der Wirbelsäulenchirurgie. Im Falle einer Destruktion des Knochens wird das destruierte Gewebe häufig entfernt und ein Ersatz implantiert. Nach einer Umfrage unter deutschsprachigen Wirbelsäulenchirurg*innen ist es unklar, welches Material bevorzugt werden sollte. Das Ziel der Studie ist es herauszufinden, ob die Anheftung von Biofilmen auf Implantaten unterschiedlicher Materialien vermehrt oder vermindert stattfindet. 

Material und Methoden

Es wurden jeweils 8 Cages aus Polyetheretherketon (PEEK), PEEK mit Titanüberzug (PEEK-Ti), Titan, Polyetherketonketon (PEKK), Tantal und Knochenzement für 24 Stunden mit Blutplasma inkubiert. Danach folgte eine Inkubation von drei Cages jeden Materials mit S. aureus für 24 Stunden und drei für 48 Stunden. Zwei Exemplare pro Material wurden als Negativkontrolle genutzt. Nachfolgend wurde der Biofilm auf den Cages mittels Sonikation gelöst. Aus der hierdurch gewonnenen Flüssigkeit wurde eine 1:10-Verdünnungsreihe erstellt und ausgewählte Verdünnungen auf Müller-Hinton-Agarplatten ausplattiert. Nach 24 Stunden wurden die Colony Forming Units (CFU) gezählt. Des Weiteren wurde der Biofilm elektronenmikroskopisch analysiert.  

Ergebnisse

Die CFUs wurden direkt, sowie im Verhältnis zu der jeweiligen Oberfläche, miteinander verglichen.  Die Oberfläche der Implantate betrug bei PEEK 557mm², PEEK-Ti 472mm², Titan 985mm², PEKK 594mm², Tantal 706mm², Knochenzement 123mm². Die Mittelwerte der Anzahl der CFUs pro Implantat wurden sowohl nach 24h (PEEK 6,77×10⁷, PEEK-Ti 2,02×108, Titan 1,57×108 , PEKK 2,63×108 , Tantal 1,73×108 , Knochenzement 3,33×108) als auch nach 48h (PEEK 1,07×108 , PEEK-Ti 2,61×108 , Titan 1,99×108 , PEKK 2,88×108 , Tantal 3,23×108 , Knochenzement 5,05×108) berechnet. Ebenso wurde der Mittelwert der Anzahl der CFUs pro mm² nach 24h (PEEK 1,22×10⁵, PEEK-Ti 4,27×10⁵, Titan 1,59×10⁵, PEKK 4,42×10⁵, Tantal 2,46×10⁵, Knochenzement 2,71×10⁶) und nach 48h (PEEK 1,92×10⁵, PEEK-Ti 5,53×10⁵, Titan 2,02×10⁵, PEKK 4,85×10⁵, Tantal 4,58×10⁵, Knochenzement 4,10E×10⁶) berechnet. Es konnten nach 24h und 48h keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Materialien festgestellt werden (p > 0,05). In den elektronenmikroskopischen Bildern konnte sowohl die Anheftung der Bakterien als auch die Produktion von extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) als Beginn der Biofilmbildung gezeigt werden (Abbildung 1). 

Diskussion

Bezüglich der Anheftung der Bakterien gibt es unter den verschiedenen Materialen nach 24 und 48 Stunden keine Unterschiede. In weiteren Untersuchungen soll nun herausgefunden werden, ob nach längerer Bebrütung ein Unterschied zwischen den Materialien festzustellen ist.

Abbildung 1 – Elektronenmikroskopische Darstellung der Oberfläche eines PEEK Cages nach Blutplasmabehandlung und Inkubation mit S. aureus für 24h

Abstract-Text englisch

Introduction  

Spondylodiscitis is becoming a more common problem in spinal surgery due to rising numbers of elderly patients. In case of bone destruction, the infected tissue is often removed. Reconstruction can be obtained by inserting an implant. A survey conducted among German speaking spinal surgeons comes to no conclusion as to which material should preferably be used. The aim of this study is to find out whether some materials of spinal implants are more or less prone to bacterial attachment.

Materials and Methods

Eight cages of each PEEK, PEEK with Titan coating (PEEK-Ti), Titan, Polyetherketoneketone (PEKK), Tantalum and bone cement have been incubated with 20% human plasma for 24h. Subsequently, three cages of each material have been incubated with S. aureus for 24h and three for 48h. Two implants per material have been used for negative control. The biofilm was then removed by sonication. The attained fluid was used to make a 1:10 serial dilution which have been plated on Mueller-Hinton agar plates. After 24h the CFUs (Colony Forming Units) have been counted. Furthermore, the biofilm has been analyzed by scanning electron microscopy.

Results

The CFUs have been compared directly and in relation to the cages surface area. The surface area of the implants was PEEK 557mm², PEEK-Ti 472mm², Titan 985mm², PEKK 594mm², Tantalum 706mm², bone cement 123mm². The mean CFU count after 24h (PEEK 6.77x10⁷, PEEK-Ti 2.02x108, Titan 1.57x108, PEKK 2.63x108, Tantalum 1.73x108, bone cement 3.33x108) and after 48h (PEEK 1.07x108, PEEK-Ti 2.61x108, Titan 1.99x108, PEKK 2.88x108, Tantalum 3.23x108, bone cement 5.05x108) was calculated. Likewise, the mean CFU count per mm² surface area after 24h (PEEK 1.22x10⁵, PEEK-Ti 4.27x10⁵, Titan 1.59x10⁵, PEKK 4.42x10⁵, Tantalum 2.46x10⁵, bone cement 2.71x10⁶) and after 48h (PEEK 1.92x10⁵, PEEK-Ti 5.53x10⁵, Titan 2.02x10⁵, PEKK 4.85x10⁵, Tantalum 4.58x10⁵, bone cement 4.10x10⁶) was calculated. No statistical significance has been found between the different materials (p > 0.05). All materials seem to be similarly prone to biofilm formation. The electron microscopic pictures show the attachment of the bacteria, as well as production of extracellular polymeric substances (EPS) as a sign for beginning biofilm formation (Fig. 1).

Discussion

There is no difference between the examined materials regarding bacterial attachment after 24h and 48h. In further studies, we want to find out whether differences become apparent after longer incubation.

Fig. 1 – Electron microscopic picture showing the surface of a PEEK cage with human plasma coating after incubation with S. aureus for 24h