PREZENTĂRI DE CAZ

Posibilitatea diagnosticului infecţiilor ortopedice folosind microcalorimetria

 The possibility of diagnosing orthopedic infections using microcalorimetry

First published: 26 iunie 2018

Editorial Group: MEDICHUB MEDIA

DOI: 10.26416/Inf.54.2.2018.1834

Abstract

The use of medical implants is a very common practice in our era, due to the many benefits they bring. In orthopedics and traumatology, these implants are part of everyday practice, without which most pathologies could not be treated. Although technological evolution has brought this change for the better, it should be borne in mind that these foreign materials come with certain risks, the most feared being the associated infections.
In this article we present such a case, a patient with associated pathologies who, although he was successfully operated for a hip fracture, he did not show up for medical control, developing a peri-implant infection. Because of his late presentation, the bone destruction associated with the septic process has been very extensive, thus requiring, instead of a normal reduction and osteosynthesis surgery, the implantation of a cement spacer and then performing a total hip arthroplasty in a secondary time.
In order for the treatment to be appropriate, the identification of the pathogen must be as quick as possible. In this article, we present a diagnostic method that has the potential to provide us with a new way of approaching this pathology. Microcalorimetry records real-time bacterial growth and can be accessed at any time. In addition, this method has a high sensitivity and generates bacterial growth curves in a shorter time than can be achieved by a classic microbiology diagnosis.

Keywords
microcalorimetry, orthopedics, infection

Rezumat

Utilizarea implanturilor medicale devine o practică foarte frecventă în era noastră, datorită numeroaselor beneficii. În cadrul ortopediei şi traumatologiei, aceste implanturi fac parte din practica de zi cu zi, fără de care nu s-ar putea trata majoritatea patologiilor. Deşi evoluţia tehnologică a adus această schimbare în bine, trebuie avut în vedere că aceste materiale străine vin cu anumite riscuri, cel mai de temut fiind infecţiile asociate. 
În acest articol prezentăm un astfel de caz, un pacient cu patologii asociate, care, deşi a suferit o fractură de şold care a fost operată cu succes, nu s-a prezentat pentru control, dezvoltând o infecţie periimplant. Din cauza prezentării sale tardive, osteoliza asociată procesului septic a fost foarte întinsă, astfel ajungând de la o banală operaţie de reducere şi osteosinteză la implantarea unui spacer de ciment, urmând ca într-un timp secundar să se realizeze artroplastia totală a şoldului.
Pentru ca tratamentul să fie adecvat, identificarea agentului patogen trebuie să fie cât mai rapidă. În acest articol prezentăm o metodă de diagnostic care are potenţialul de a ne oferi o cale nouă de abord asupra acestei patologii. Microcalorimetria înregistrează în timp real creşterea bacteriană, putând fi accesată în orice moment. În plus, această metodă are o sensibilitatea ridicată şi generează curbe de creştere bacteriană într-un timp mai scurt decât poate fi realizat un diagnostic de microbiologie clasică.

Introducere

Ortopedia, în concordanţă cu toate specialităţile medicale, este într-o dezvoltare continuă, care s-a accelerat în ultimii ani datorită evoluţiei tehnologice. Mai mult decât în alte ramuri ale medicinei, în ortopedie şi traumatologie se folosesc frecvent implanturi sau materiale de osteosinteză, pentru tratarea fracturilor sau a patologiilor degenerative. Dacă luăm în calcul doar numărul artroplastiilor totale de şold în Statele Unite ale Americii, acest tip de intervenţie se realizează de 200000 de ori pe an, iar în Marea Britanie de peste 50000 de ori(1). Aceste implanturi sunt realizate din materiale cu o foarte bună biocompatibilitate. În literatura de specialitate, în urma studiilor multicentrice, este descris un risc mai mic de 10% pentru dezvoltarea complicaţiilor pe timpul vieţii după implantarea unui dispozitiv(2). Un studiu realizat în SUA descrie prezenţa a cel puţin unui material de osteosinteză la 4,4 milioane de locutori, iar mai mult de 1 milion şi jumătate din populaţia SUA are o proteză artificială(3). Riscul apariţiei infecţiilor postoperatorii a crescut din motive care ţin de pacient, de momentul intervenţiei, de tehnica chirurgicală şi de mediul în care este realizată intervenţia. Pentru a preveni acest risc s-au adoptat o serie de măsuri: realizarea intervenţiilor într-un bloc operator dotat cu flux laminar, realizarea intervenţiilor de către chirurgi bine pregătiţi, cu minimizarea timpului operator, administrarea de antibiotic profilactic de rutină şi utilizarea implanturilor încărcate cu antibiotic în cazurile cele mai severe(4,5).

Apariţia unui proces septic legat de un implant impune fie îndepărtarea implantului cu asanarea zonei, fie se poate realiza o intervenţie minimă cu evacuarea colecţiei purulente şi debridarea ţesuturilor afectate. Când alegem una dintre cele două variante, trebuie să luăm în calcul mai mulţi factori, cei mai importanţi fiind: starea de sănătate a pacientului, patologiile asociate, calitatea ţesutului osos. O metodă nonoperativă sau minim invazivă este de preferat în cazul pacienţilor taraţi, deoarece o intervenţie chirurgicală extinsă, cu debridare intensă şi cu pierdere importantă de sânge, poate pune în pericol viaţa pacientului(6,7). O evaluare corectă a pacientului creşte şansele de reuşită chiar cu retenţia materialului protetic. În majoritatea infecţiilor apărute în următoarele zile sau săptămâni după o intervenţie în care s-au practicat reducere şi osteosinteză după o fractură, se încearcă păstrarea materialului de osteosinteză pentru a menţine viabilă funcţia membrului. Dacă însă discutăm despre o patologie infecţioasă apărută tardiv, în cazul unui pacient care a suferit cu ani în urmă o artroplastie, managementul este diferit. În acest caz este obligatorie îndepărtarea protezei, urmată de cura chimică şi chirurgicală a segmentului afectat, pentru ca într-un timp ulterior, când ţesutul permite, să se realizeze o revizie. Prin aceste etape asigurăm un ţesut de bună calitate, minimizând riscul unei infecţii recurente, care ar putea duce la pierderea membrului.

Trebuie avut în vedere faptul că orice material străin implantat va trece prin modificări fiziologice. Primul proces este acoperirea materialului de către proteinele serice şi plachete; aceste proteine facilitează aderarea agenţilor patogeni prin diferiţi receptori. În cazul Staphylococcus aureus, fibronectina, colagenul, vitronectina şi fibrina facilitează aderarea acestuia la materialul de osteosinteză(8). În urma aderării, agenţii patogeni se multiplică lent, formând biofilm cu capacitatea de a rezista răspunsului celular şi umoral al gazdei(9).

Având în vedere riscul infecţios, care este prezent atât în cazul pacienţilor cronici, cât şi în cel al pacienţilor cu patologie acută, sunt necesare metode de diagnostic microbiologic rapid şi corect. O astfel de metodă, care încă nu este folosită pe scară largă, este microcalorimetria(10-14). Există diferite tipuri de microcalorimetre, cu sensibilitate şi capacitatea de a realiza mai multe experimente în paralel(14-16).

Prezentarea cazului

Prezentăm cazul unui pacient în vârstă de 48 de ani, internat la Spitalului Universitar de Urgenţă Bucureşti, cu durere şi impotenţă funcţională totală la nivelul şoldului stâng, simptome apărute în urma unui traumatism prin precipitare de la propria înălţime. Pacientul este cunoscut cu diabet zaharat de tip 2 insulino-necesitant de 10 ani şi hipertensiune arterială, patologii care au fost neglijate terapeutic. La prezentare, valoarea glicemiei era de 270 mg/dl, iar tensiunea arterială 190/120 mmHg; pacientul era conştient, cu stare generală bună. După pregătirea preoperatorie corespunzătoare, echilibrarea tensiunii arteriale şi a glicemiei, s-a intervenit chirurgical şi s-au practicat reducerea fracturii şi osteosinteză tip dynamic hip screw (DHS). Pacientul s-a externat după cinci zile, plaga având aspect normal, realizând mobilizarea cu sprijin progresiv, susţinut de cadrul de mers.

Pacientul nu s-a prezentat la controalele de 12 şi, respectiv, 45 de zile postoperatorii. A fost internat la 60 de zile postoperatorii, din cauza unei fistule active la nivelul inciziei. S-a recoltat produs patologic, care a fost trimis către laboratorul de microbiologie pentru realizarea diagnosticului clasic, dar şi prin microcalorimetrie.
 

Figura 1. Distrucţia capului femural în urma procesului septic
Figura 1. Distrucţia capului femural în urma procesului septic

În urma examenului microbiologic s-a decelat prezenţa de Staphylococcus aureus; conform antibiogramei, s-a instituit tratament cu rifampicină şi ciprofloxacin. Având în vedere prezentarea tardivă a pacientului, tratamentul antibiotic nu s-a dovedit eficient, astfel încât s-a decis intervenţia chirurgicală. După pregătirea preoperatorie s-a intervenit la nivelul şoldului, realizându-se un abord iterativ cu ablaţia materialului de osteosinteză. Intraoperator s-a confirmat suspiciunea ridicată de radiografie, şi anume distrucţia masivă atât a capului femural (figura 1), cât şi a treimii proximale a femurului, astfel încât s-a decis ablaţia capului femural însoţită de debridare mecanică şi chimică până în ţesutul sănătos. Pentru facilitarea asanării focarului s-a montat o proteză încărcată cu antibiotic (figura 2), aceasta având două roluri: în primul rând, de a oferi pacientului posibilitatea de mobilizare, iar în al doilea rând, eliberarea de antibiotic local pentru asanarea focarului infecţios.
 

Figura 2. Spacer de ciment încărcat cu antibiotic
Figura 2. Spacer de ciment încărcat cu antibiotic

Evoluţia postoperatorie a fost favorabilă. Pacientul a fost externat cu indicaţia suprimării firelor de sutură la 12 zile postoperatorii şi prezentarea la 45 de zile după intervenţie în vederea controlului radiologic. I s-a explicat pacientului gravitatea situaţiei şi a patologiei. Pacientul s-a prezentat la controlul de 45 de zile, urmând ca la 6 luni postoperatorii să se intervină chirurgical cu scopul realizării unei artroplastii totale de şold, cu condiţia normalizării markerilor inflamatori şi a existenţei unui status tegumentar corespunzător.

Descrierea experimentului de microcalorimetrie

Pentru realizarea experimentelor am folosit două aparate de microcalorimetrie cu două canale. Aceste aparate prezintă un spaţiu destinat unei celule de tip referinţă în care am introdus mediu de cultură Mueller Hinton (MH), iar în celălalt spaţiu am introdus o celulă cu mediu de cultură încărcat cu produs patologic şi mediu de cultură sau bacteria izolată din produsul biologic recoltat de la pacient.

Pentru a ne asigura că experimentele sunt valide şi prezintă utilitate diagnostică, ne-am propus să realizăm trei replici. Am recoltat produs patologic de la nivelul traiectului fistulos înainte de operaţie, apoi am recoltat produs patologic intraoperator, în vederea însămânţării acestuia pe MH solid, pentru a obţine colonii izolate.

Am încărcat atât celula microcalorimetrică tip referinţă, cât şi pe cea tip probă cu 0,6 ml de mediu, iar temperatura sistemului a fost de 37 ºC pe tot parcursul experimentului.

Aşa cum se poate observa din curbele de creştere, experimentele au fost realizate cu succes (figura 3, figura 4 şi figura 5). În toate cele trei cazuri, creşterea bacteriană a respectat acelaşi model, folosind aceeaşi bacterie, însă recoltată în diferite momente, susţinând posibilitatea realizării unui astfel de tip de diagnostic microbiologic. În plus, se poate observa celeritatea creşterii bacteriene, care, ipotetic, poate fi îmbunătăţită folosind un alt tip de mediu sau schimbând o altă variabilă pe care nu am identificat-o până în acest moment.
 

Figura 3. Curba microcalorimetrică din produs patologic recoltat de la nivelul fistulei
Figura 3. Curba microcalorimetrică din produs patologic recoltat de la nivelul fistulei
Figura 4. Curba microcalorimetrică din produs patologic recoltat intraoperator
Figura 4. Curba microcalorimetrică din produs patologic recoltat intraoperator
Figura 5. Curba microcalorimetrică din colonie izolată
Figura 5. Curba microcalorimetrică din colonie izolată

Rezultate

Am prezentat cazul unui pacient care a suferit un traumatism prin precipitare de la propria înălţime soldat cu fractura femurului proximal. Acesta a fost tratat chirurgical, însă din cauza patologiilor asociate şi a necomplianţei acestuia, s-a instalat un proces septic. Particularitatea cazului este legată de aplicarea tratamentului chirurgical curativ tardiv, după declanşarea procesului infecţios, generând distrucţie importantă osoasă şi a ţesuturilor moi, astfel încât singurul tratament de ales a fost evacuarea structurilor infectate, montarea unui spacer de ciment încărcat cu antibiotic şi instituirea tratamentului antibiotic i.v.

Pe lângă tratamentul chirurgical, am prezentat trei experimente realizate de echipa noastră, folosind tehnica microcalorimetriei pentru a evalua în timp real creşterea bacteriană. Toate aceste experimente au fost realizate cu bacterii extrase steril şi însămânţate pe mediu MH. Pentru realizarea experimentelor s-a folosit o temperatură constantă de 37°C şi o cantitate de 0,6 ml în celula microcalorimetrică. Am ales aceste constante pentru că, în urma numeroaselor experimente realizate de echipa noastră, am ajuns la concluzia că acestea reprezintă condiţiile optime(17).

Discuţii

Realizarea unei curbe microcalorimetrice nu depăşeşte 15-20 de ore. Având în vedere că discutăm despre o metodă care ne oferă informaţii în timp real, după realizarea unui număr destul de mare de experimente, urmate de o standardizare a curbelor microcalorimetrice, suntem de părere că identificarea va putea fi mai rapidă în funcţie de aspectul curbei de creştere la debut. Metoda microcalorimetrică de identificare a bacteriilor cu ajutorul curbelor de creştere generate de acestea este încă în evaluare. Posibilitatea utilizării pe scară largă este de luat în considerare; sunt necesare mai multe experimente, precum şi prelucrarea cu ajutorul unor programe speciale în scopul elaborării unui algoritm general valabil. Experimentele echipei noastre se rezumă la o mică parte a patologiei infecţioase, însă opinăm că microcalorimetria are potenţialul de a fi utilă în toate domeniile medicale.

Un element important este capacitatea pacientului de a se mobiliza şi de a-şi îndeplini activităţile zilnice. Durerea constantă generată de o patologie tratată sau nu chirurgical poate fi un factor care scade indicele legat de satisfacţia pacientului, indiferent de existenţa sau nu a comorbidităţilor. Mobilizarea cu deficit sau cu durere poate fi o cauză de depresie şi de decompensare a altor patologii, astfel încât va trebui luată în calcul în toate cazurile(18,19).

Concluzii

Date fiind particularităţile fiziologice ale osului, infecţiile în sfera ortopediei şi traumatologiei reprezintă o patologie care poate avea o evoluţie nefastă, asociată cu distrucţii întinse în cazurile tratate tardiv. Având în vedere cazul prezentat, dorim să subliniem importanţa controalelor repetate după o intervenţie chirurgicală, mai ales când discutăm despre un pacient cu mai multe patologii asociate.

Tratamentul în cazul infecţiilor, în general, mai ales în cazul proceselor septice ortopedice, trebuie să fie instituit foarte rapid şi întotdeauna ţintit, pentru a reuşi o cură adecvată, fără distrucţii tisulare.

Microcalorimetria este o metodă cu potenţial diagnostic important, pentru că oferă un răspuns în timp real care poate fi verificat în orice moment, chiar şi utilizând telefonul mobil. Oferă o versatilitate ridicată, putând schimba atât mediul folosit, cât şi temperatura creşterii bacteriene în funcţie de necesităţile cazului.

Această tehnică are potenţialul să devină gold standard de diagnostic microbiologic; continuarea experimentelor în acest domeniu şi acumularea unui număr ridicat de curbe microcalorimetrice pentru toate bacteriile implicate patogenic ar putea conduce la algoritmi de diagnostic microbiologic cu mare utilitate.  

Conflicts of interest: The authors declare no conflict of interest.

Bibliografie

  1. Fitzgerald RH. Total hip arthroplasty sepsis: prevention and diagnosis. Orthop Clin North Am. 1992;23:259-64.
  2. Steckelberg JM, Osmon DR, et al. Prosthetic joint infections, Infections associated with indwelling medical devices. 1994. American Society for Microbiology:59-90.
  3. Isiklar ZU, Darouiche RO, Landon GC, et al. Efficacy of antibiotics alone for orthopaedic device related infections. Clin Orthop. 1996;332:184-89.
  4. Sanzen L, Carlsson AS, Walder M. Air contamination during total hip arthroplasty in an ultraclean air enclosure using different types of staff clothing. J Arthroplasty. 1990;5:127-30.
  5. Nichols RL. Surgical antibiotic prophylaxis. Med Clin North Am. 1995;79:509-22.
  6. Zimmerli W, Widmer AF, Blatter M, et al. Role of rifampin for treatment of orthopedic implant–related staphylococcal infections: a randomized controlled trial. Foreign-Body Infection (FBI) Study Group. JAMA. 1998;279:1537-41.
  7. Drancourt M, Stein A, Argenson JN, et al. Oral rifampin plus ofloxacin for treatment of Staphylococcus-infected orthopedic implants. Antimicrob Agents Chemother. 1993;37:1214-8.
  8. Dahinden CA, Fehr J, Hugli TE. Role of cell surface contact in the kinetics of superoxide production by granulocytes. J Clin Invest. 1983;72:113-21.
  9. Khoury AE, Lam K, Ellis B, et al. Prevention and control of bacterial infections associated with medical devices. ASAIO J. 1992;38:174-8.
  10. Calvet E, Prat H. Recent progress in microcalorimetry: Macmillan; 1963.
  11. Wadso I. Isothermal microcalorimetry in applied biology. Thermochimica Acta. 2002;394(1–2):305-311.
  12. Braissant O, Wirz D, Gopfert B, Daniels AU. Use of isothermal microcalorimetry to monitor microbial activities. FEMS Microbiol Lett. 2010;303:1-8.
  13. Trampuz A, Steinhuber A, Wittwer M, Leib SL. Rapid diagnosis of experimental meningitis by bacterial heat production in cerebrospinal fluid. BMC Infect Dis. 2007;7:116.
  14. James AM. Thermal and energetic studies of cellular biological systems. Bristol, UK: Wright; 1987:4.
  15. Zaharia DC, Iancu C, Steriade AT, et al. MicroDSC study of Staphylococcus epidermidis growth. BMC Microbiol. 2010;10:322.
  16. Zaharia DC, Popa MG, Steriade AT, et al. Microcalorimetry – a new method for bacterial characterisation. Pneumologia. 2013;62(4):232-5. .
  17. Popa MG, Panti Z, Nica M, et al. Microcalorimetria – o metodă cu potenţial în diagnosticul infecţiilor ortopedice. Infecţio.ro. 2017;49(1):42-46.
  18. Popa MG, Panti Z, Nica M, et al. Durerea în artroplastia septică a şoldului şi genunchiului. Infecţio.ro. 2016;45(1):35-42.
  19. Popa M, Streinu-Cercel A, Popa V, et al. Algic syndrome in osteoarticular infectious pathology; detection and rapid treatment of the causative agent using microcalorimetry. Filodiritto Editore-Proceedings. 2018:589-594.

Articole din ediţiile anterioare

SINTEZE | Ediţia 1 53 / 2018

Infecţia cu HIV la femei

Mădălina-Maria Muntean, Andrei-Alexandru Muntean, Mircea Ioan Popa

La nivel global, mai mult de jumătate din totalul persoanelor infectate cu HIV sunt femei. Infecţia cu HIV la femei are particu­larităţile sale, în...

24 aprilie 2018
SINTEZE | Ediţia 3 51 / 2017

Sepsisul bacterian

Vasilica Ungureanu

Sepsisul este un sindrom clinic cauzat de un răspuns inflamator exagerat al organismului-gazdă la infecție, ca urmare a unei activări necontrolate ...

06 noiembrie 2017
SINTEZE | Ediţia 4 52 / 2017

Tehnici de editare genetică în tratamentul infecţiei cu HIV

Alina Șerbănescu

Editarea genomului este un tip de prelucrare genetică a ADN-ului, prin care se poate realiza inserția, deleția sau înlocuirea unor secvențe din gen...

09 ianuarie 2018
SINTEZE | Ediţia 4 56 / 2018

Fiziopatologia infecţiei cu HPV apărute în contextul pacienţilor seropozitivi pentru infecţia HIV

Costin Caracoti, Corina-Maria Casangiu, Mirela Cofiţă, Alexandra-Cerasela Dragomir, Cosmin George Dumitru

Înţelegerea interacţiunii dintre infecţia HIV şi infecţia cu HPV a reprezentat mereu o problemă de interes în domeniul bolilor infecţioase. Iniţial...

30 decembrie 2018