Ein periprothetisches Gelenk-Candida albicans-Infektionsmodell in der Maus

Periprothetische Gelenkinfektionen (PJI), die durch gefährliche Krankheitserreger verursacht werden, sind in der klinischen Orthopädie weit verbreitet. Bestehende Tiermodelle können die tatsächliche Situation von PJI nicht genau simulieren. Hier haben wir ein Candida albicans-Biofilm-assoziiertes PJI-Mausmodell etabliert, um neue Therapeutika für PJI zu erforschen und zu entwickeln.

Die periprothetische Gelenkinfektion (PJI) ist eine der häufigsten Infektionen, die durch Candida albicans (C. albicans) verursacht wird und zunehmend Chirurgen und Wissenschaftler beunruhigt. In der Regel bilden sich an der Infektionsstelle Biofilme, die C. albicans vor Antibiotika und Immunclearance schützen können. Die Operation, die die Entfernung des infizierten Implantats, das Debridement, die antimikrobielle Behandlung und die Reimplantation umfasst, ist der Goldstandard für die Behandlung von PJI. Daher ist die Etablierung von tierischen PJI-Modellen von großer Bedeutung für die Erforschung und Entwicklung neuer Medikamente oder Therapeutika für PJI. In dieser Studie wurde ein glatter Draht aus einer Nickel-Titan-Legierung, ein in orthopädischen Kliniken weit verbreitetes Implantat, in das Femurgelenk einer C57BL/6-Maus eingeführt, bevor die C. albicans in die Gelenkhöhle entlang des Drahtes inokuliert wurden. Nach 14 Tagen wurden reife und dicke Biofilme auf der Oberfläche von Implantaten unter dem Rasterelektronik-Mikroskop (REM) beobachtet. Eine signifikant reduzierte Knochentrabekel wurde in der H&E-Färbung der infizierten Gelenkproben gefunden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Maus-PJI-Modell mit den Vorteilen einer einfachen Bedienung, einer hohen Erfolgsrate, einer hohen Wiederholbarkeit und einer hohen klinischen Korrelation etabliert wurde. Es wird erwartet, dass dies ein wichtiges Modell für klinische Studien zur Biofilm-bedingten PJI-Prävention von C. albicans sein wird.

Candida albicans (C. albicans) kommt kommensal in vielen Teilen des menschlichen Körpers vor¹ und ist auch der häufigste opportunistische Erreger, der lebensbedrohliche invasive Pilzinfektionen verursacht, insbesondere bei immungeschwächten Patienten ^2,3. C. albicans kann sich als polymorpher Pilz zwischen Hefe- und Myzelzuständen wandeln. Der Myzelzustand weist eine höhere Virulenz, stärkere Adhäsion und Invasion von Zellen und Geweben auf ^4,5. Außerdem können C. albicans Biofilme auf den Oberflächen von biomedizinischen Materialien wie Zahnersatz, Katheter und Stents bilden ^1,6,7. Die dichte dreidimensionale Struktur von Biofilmen schränkt die Infiltration von Antimykotika ein, exprimiert arzneimittelresistente Gene und reguliert den Stoffwechsel von Pilzzellen herunter, um der Clearance des Immunsystems zu widerstehen ^6,7. Daher sind Biofilm-bedingte Infektionen in Kliniken eine große Herausforderung⁸.

Staphylococcus aureus, Koagulase-negative Staphylokokken und Enterobacter sind die Haupterreger von PJI⁹. Obwohl die Inzidenz von Pilz-PJI relativ gering ist (ca. 1 %)¹⁰, sind die Behandlungskosten von Pilz-PJI höher¹¹, der Behandlungszyklus ist länger¹¹ und die Behandlungserfolgsrate ist niedriger¹⁰ als bei bakterieller PJI. In den letzten Jahren hat die Inzidenz von Pilz-PJI von Jahr zu Jahr zugenommen¹⁰. Candida PJI macht 77%-84% der pilzlichen PJI^{aus 10,12}, und C. albicans ist der häufigste in Candida (54%). Daher muss die PJI von Pilzen untersucht werden.

Derzeit wird PJI durch eine Revisionsoperation behandelt, indem (1) das infizierte Implantat entfernt wird, (2) ein Debridement, (3) eine antimikrobielle Behandlung und (4) eine Reimplantation durchgeführt wird. Nach einem gründlichen Debridement wird ein Antibiotikum mit Knochenzement eingesetzt, und der Patient wird mehr als 6 Wochen lang systemisch mit Antibiotika behandelt, um die Infektion effektiv zu kontrollieren, bevor ein neues Implantat eingesetzt wird¹³. Diese Methode kann jedoch Krankheitserreger im Gewebe nicht vollständig eliminieren, und rezidivierende Infektionen, die mit einer antimikrobiellen Langzeittherapie behandelt werden, entwickeln sich mit hoher Wahrscheinlichkeit bei arzneimittelresistenten Stämmen 14,15,16.

Die Etablierung von Tiermodellen für PJI ist wichtig für die Erforschung und Entwicklung neuer Medikamente oder Therapeutika für PJI. Bei der Entwicklung von PJI bilden sich große Tote um die Prothese herum, was zur Bildung von Hämatomen führt, die die Blutversorgung des umliegenden Gewebes weiter blockieren und die Wirkung von Antibiotika beeinträchtigen^11,15. Aufgrund der Schwierigkeit, die Umgebung der Prothese nachzuahmen, können herkömmliche Tiermodelle die tatsächliche Situation von PJI^17,18 nicht genau simulieren.

In dieser Arbeit wurde ein C. albicans-Biofilm-assoziiertes PJI-Modell in Mäusen konstruiert, indem ein klinisch weit verbreiteter Titan-Nickel-Draht verwendet wurde, um Gelenkimplantate zu simulieren^19,20. Dieses PJI-Modell weist die Vorteile einer einfachen Bedienung, einer hohen Erfolgsrate, einer hohen Wiederholbarkeit und einer hohen klinischen Korrelation auf. Es wird erwartet, dass es ein wichtiges Modell für die Untersuchung der Prävention und Behandlung von C. albicans-Biofilm-assoziierten PJI sein wird.

Die Tiere wurden von der Xi'an Jiaotong Universität gekauft. Alle Tierversuchsverfahren wurden vom Institutional Animal Ethics Committee der Xi'an Jiaotong University genehmigt (Zulassungsnummer: SCXK [Shaanxi] 2021-103). Die Mäuse wurden eine Woche lang mit 5 Mäusen pro Käfig gehalten. Sie erhielten freien Zugang zu Nahrung und Wasser. Die Tiere wurden vor der Durchführung der Studie bei Raumtemperatur (RT; 24 °C ± 1 °C) und Hell-Dunkel-Zyklus (12 h/12 h) gehalten.

1. Vorbereitung des Puffers und der Ausrüstung

1. C. albicans Zellkultur
   1. Eine monoklonale Kolonie von C. albicans (SC5314) aus einem Hefeextrakt-Peptondextrose (YPD)-Plattenmedium mit einer Impfschleife in 5 ml YPD-Flüssigmedium (YPD + 50 μg/ml Carbenicillin) inokuliert.
   2. C. albicans-Zellen anschließend bei einer Drehzahl von 220 U/min bei 30 °C über Nacht schütteln.
   3. Zentrifugieren Sie die Suspension bei 400 x g für 5 Minuten bei RT. Resuspendieren Sie die C. albicans-Zellen in normaler Kochsalzlösung und verdünnen Sie die Zellkonzentration auf 1 x 10⁶ Zellen/ml, indem Sie die Trübung visuell so einstellen, dass sie der 0,5 McFarland entspricht.
2. Zubereitung von normaler Kochsalzlösung
   1. Wiegen Sie 0,9 g Natriumchlorid und lösen Sie es in 100 ml deionisiertem Wasser auf, um 0,9 % normale Kochsalzlösung herzustellen.
3. Vorbereitung von chirurgischen Instrumenten
   1. Autoklavieren (121 °C, 30 min) der chirurgischen Instrumente (Schere, Pinzette, hämostatische Pinzette, Nadelhalter, Nahtnadeln) und Draht aus Titan-Nickel-Legierung (ca. 0,5 mm Durchmesser) vor Gebrauch.

2. Etablierung des Maus-PJI-Modells

1. 30 C57BL/6-Mäuse (männlich, 15-20 g) werden nach dem Zufallsprinzip in 3 Gruppen (10 Mäuse/Gruppe) unterteilt, nämlich in die Kontrollgruppe, die Blindimplantatgruppe (Titan-Nickel-Draht-Implantation ohne C. albicans-Infektion ) und die PJI-Gruppe (Titan-Nickel-Draht-Implantation mit C. albicans-Infektion ).
2. Betäuben Sie die Mäuse mit 1-4% Isofluran-Inhalation, bevor Sie die Haare an der linken Hintergliedmaße entfernen und mit Jod desinfizieren. Der Verlust des Aufrichtungsreflexes und das Ausbleiben einer Reaktion auf die Zehenstimulation bestätigt die Tiefe der Anästhesie. Tragen Sie während der Anästhesie Augensalbe auf beide Augen auf, um Trockenheit der Hornhaut zu verhindern und die Wärme während der Operation und Genesung wieder aufzufüllen.
3. Bei den Mäusen in der Kontrollgruppe ist keine Behandlung durchzuführen. Gewähren Sie ihnen freien Zugang zu Wasser und Nahrung.
4. Bei den Mäusen in der Blank-Implantat-Gruppe und der PJI-Gruppe wird ein 5 mm langer Längsschnitt am Knie jeder linken Hintergliedmaße mit einer #10-Klinge oder einem sterilen Rasierer gemacht, um die Gelenke freizulegen.
5. Ein 5 mm langes Loch in den Oberschenkelmarkkanal bohren, indem eine sterile Spritzennadel (26 G) eingeführt wird.
6. Führen Sie einen glatten Draht aus einer Nickel-Titan-Legierung (0,5 mm Durchmesser, 5 mm Länge) in das Loch ein, bevor Sie ihn mit einer Schere schneiden (Abbildung 1).
7. Bei den Mäusen in der Blindimplantatgruppe werden 2 μl YPD-Medium tropfenweise entlang des Drahtes aus Nickel-Titan-Legierung zugegeben, bevor die Wunde Schicht für Schicht mit einem Nylonnaht (0,15 mm Durchmesser) verschlossen wird.
8. Bei den Mäusen in der PJI-Gruppe werden 2 μl C. albicans-Zellen (1 × 10⁶ Zellen/ml) tropfenweise in den Gelenkspalt der Mäuse entlang des Drahtes aus Nickel-Titan-Legierung geimpft, bevor die Wunde Schicht für Schicht mit einer Nylonnaht verschlossen wird.
9. Unterbringe die Mäuse 14 Tage lang mit freiem Zugang zu Wasser und Futter. Meloxicam als subkutane Injektion (4 mg/kg) alle 24 h für bis zu 3 Tage verabreichen.
10. Nach 14 Tagen werden die Mäuse mit 3% Isofluran betäubt, bevor die Mäuse durch Zervixluxation eingeschläfert werden.

3. Bewertung des PJI-Modells

1. Abklärung von Infektionen in wichtigen Organen
   1. Sammle die Nieren, die Leber und die Milz von den Mäusen nach dem Einschläfern.
   2. Geben Sie 500 μl sterile normale Kochsalzlösung in jedes Organ und mahlen Sie das Gewebe auf einem Homogenisator bei 4 °C.
   3. 100 μl des in Schritt 3.1.2 hergestellten Homogenats auf eine YPD-Platte geben, bevor es mit einem gebogenen Stab gleichmäßig verteilt wird.
   4. Die YPD-Platten werden für 48 h invertiert in einen 37 °C warmen Inkubator gelegt.
   5. Beobachte und zähle die Anzahl der Völker visuell.
2. Beobachtung von C. albicans und Biofilmen auf den Implantaten
   1. Schneiden Sie die Haut über dem Gelenk der Mäuse vorsichtig mit einer Schere ab, bevor Sie das Implantat mit einer Pinzette auffangen.
   2. Halten Sie die Implantate 48 Stunden lang in einer 2,5%igen Glutaraldehyd-Lösung zur Fixierung bei 4 °C.
   3. Spülen Sie die Implantate dreimal mit sterilem PBS, bevor Sie sie 3 Stunden lang in 1%ige Osmiumsäurelösung tauchen.
   4. Spülen Sie die Implantate dreimal mit sterilem PBS, bevor Sie sie zur Dehydrierung 15 Minuten lang in 50 %, 70 %, 80 %, 90 % und 100 % Ethanollösungen eintauchen.
   5. Lassen Sie die Implantate dreimal 30 Minuten lang in tert-Butanol eintauchen, bevor Sie die Implantate gefriertrocknen.
   6. Befestigen Sie die Implantatproben auf dem Probentisch, beschichten Sie das Implantat mit Gold (10-nm-Beschichtung) und beobachten Sie es unter einem Rasterelektronikmikroskop (REM) im Hochvakuum und bei 1,5 kV.
3. Pathologische Analyse des Oberschenkelgewebes
   1. Sammle das Oberschenkelgewebe mit einer Schere, nachdem du die Mäuse eingeschläfert hast.
   2. Das Oberschenkelgewebe wird 48 h lang bei 4 °C in 4%ige Paraformaldehydlösung zur Fixierung getaucht.
   3. Legen Sie das Oberschenkelgewebe 1 Woche lang in 10% Formalin.
   4. Dehydrieren Sie das Femurgewebe, indem Sie es 15 Minuten lang in 50 %, 70 %, 80 %, 90 % und 100 % Ethanollösungen eintauchen.
   5. Betten Sie das dehydrierte Femurgewebe in Paraffin ein, bevor Sie das Gewebe mit einem Mikrotom in 4-μm-Proben schneiden.
   6. Färben Sie die Oberschenkelabschnitte mit Hämatoxylin und Eosin, indem Sie vor der pathologischen Analyse ein Standardprotokoll befolgen²¹.

Die Übertragung der Proben auf ein Plattenmedium und die Zählung der Kolonien nach der Inkubation über Nacht wird üblicherweise verwendet, um die lokale Erregerlast in der Nähe der Läsion zu beurteilen^22,23. In unserer Studie war die mikrobielle Kultur von Leber-, Nieren- und Milzproben negativ, was darauf hindeutet, dass das Modell in dieser Studie bei den Mäusen nur zu einer lokalen Infektion statt zu einer systemischen Infektion führte²³.

Die REM-Bilder der Implantate sind in Abbildung 2 dargestellt. Auf der Oberfläche des Nickel-Titan-Legierungsdrahtes in der Blankimplantatgruppe klebten oder besiedelten keine C. albicans . In der PJI-Gruppe wurde jedoch ein reifer und dicker Biofilm auf der Oberfläche von Nickel-Titan-Legierungsdraht beobachtet, was auf die erfolgreiche Konstruktion des C. albicans-Biofilm-verwandten PJI-Modells bei Mäusen 14 Tage nach der Operation hindeutet²³.

Die H&E-Färbung von Femurgewebe ist in Abbildung 3 dargestellt. In der Kontrollgruppe wurde eine klare und vollständige trabekuläre Knochenstruktur beobachtet, während in der Gruppe mit leeren Implantaten einige knochentrabekuläre Gewebedefekte im Femurgewebe zu sehen waren (Abbildung 3, gelbe Pfeile). In der PJI-Gruppe nahm die Anzahl der Knochentrabekel signifikant^{ab 23}. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das C. albicans-Biofilm-assoziierte PJI-Modell in Mäusen mit einer signifikanten pathologischen Schädigung des Femurgewebes erfolgreich etabliert wurde.

Abbildung 1: Ablauf der Implantation. Das rote Quadrat im linken Feld zeigt die Operationsstelle, in die der glatte Draht aus Nickel-Titan-Legierung eingeführt wird. Das Bild rechts zeigt einen Teil des Oberschenkelknochens (roter Kreis) mit dem Nickeldraht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: REM-Bilder der Implantatoberfläche in der Rohlings- und PJI-Gruppe. Die Vergrößerungen 1000x (Maßstabsbalken = 500 μm) und 5000x (Maßstabsbalken = 100 μm) werden als repräsentative Bilder dargestellt. Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Mo et ^al.23 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: H&E-Färbung von Femurgewebe. Repräsentative H&E-Bilder des Implantats, des PJI-Modells und der Kontrollgruppen sind in der Abbildung dargestellt. Die Kontrollgruppe zeigt eine klare und vollständige trabekuläre Knochenstruktur. Die Gruppe der leeren Implantate wies einige knochentrabekuläre Gewebedefekte im Femurgewebe auf (gelbe Pfeile). Allerdings nahm die Anzahl der Knochentrabekel in der PJI-Gruppe ab. Die dargestellten Vergrößerungen sind 200x (Maßstabsbalken = 150 μm) und 400x (Maßstabsbalken = 75 μm). Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Mo et ^al.23 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die Infektion, die durch die Kontamination von chirurgischen Instrumenten oder der chirurgischen Umgebung während der Operation verursacht wird^, ist die Hauptursache für die meisten Implantatinfektionen 24,25,26,27. Daher wurde in dieser Arbeit ein Maus-C. albicans-Biofilm-bezogenes PJI-Modell konstruiert. Im Vergleich zum traditionellen PJI-Modell, bei dem sterile, in Kochsalzlösung suspendierte Edelstahlpartikel als Implantat verwendet wurden, wurde in dieser Studie ein Draht aus einer Nickel-Titan-Legierung, ein häufig verwendetes Implantatmaterial, verwendet, um den Kontakt zwischen C. albicans, Implantatmaterialien und dem Knochen zu simulieren, was der Situation in Kliniken ähnlicher ist.

Das in diesem Artikel beschriebene PJI-Modell kann die physiologische Umgebung von PJI in Kliniken perfekt simulieren. Dieses Modell kann nur verwendet werden, um die Infektion während der Implantation zu untersuchen, anstatt eine spätere durch Blut übertragene Infektion.

C. albicans kann auf zwei Arten geimpft werden. Die eine besteht darin, die C. albicans während der Operation²⁸ direkt an der Implantationsstelle zu inokulieren, und die andere ist die Kultivierung der Implantate mit C. albicans für einen bestimmten Zeitraum, so dass reife Biofilme auf der Oberfläche des Implantats vor der chirurgischen Implantation²⁹ gebildet werden. Die erste Methode wurde in dieser Studie aufgrund ihrer genauen Inokulationszahl der Erreger gewählt, was zu minimalen Unterschieden zwischen den Gruppen und einer objektiveren Bewertung der nachfolgenden Behandlungen führte. Darüber hinaus entspricht die erste Methode besser der klinischen Situation.

In diesem Protokoll ist das Einsetzen des Implantats schwierig durchzuführen. Der Operateur muss mehrmals üben, um sicherzustellen, dass das Implantat in das Gelenk eingesetzt wird und nicht subkutan oder intramuskulär. Außerdem ist die Impfzahl von C. albicans entscheidend für die Wiederholbarkeit des PJI-Modells. C. albicans sollte gründlich über Vortex gemischt werden, um die Genauigkeit der Impfzahl zu gewährleisten. Darüber hinaus sollten die C. albicans entlang des Legierungsdrahtes zugegeben werden, um den Infektionsweg in der klinischen Situation zu simulieren.

Biofilme konnten 7 Tage nach der bakteriellen Infektion nachgewiesen werden, danach nahmen die Biofilme allmählich zu und erreichten am 14^. Tag³⁰ ein Plateau. Daher wurde am 14^. Tag der Erfolg des etablierten PJI-Modells überprüft. Die Besiedlung mit C. albicans und die Bildung von Biofilm auf der Oberfläche des Implantats wurden mittels REM untersucht. Die durch eine lokale Infektion verursachten Gewebeläsionen um das Implantat herum wurden nach der H&E-Färbung durch pathologische Analyse bewertet. Studien haben gezeigt, dass die periprothetische Osteolyse aufgrund von PJI³¹ ein wichtiges Merkmal ist. Daher sind diese Indikatoren auch für die Bewertung therapeutischer Methoden zur Vorbeugung und Behandlung von PJI³² von entscheidender Bedeutung.

Die mikrobielle Kultur wird häufig zum Nachweis mikrobieller Infektionen in Kliniken und Labors verwendet. Daher wurden in dieser Studie die mikrobielle Kultur des Implantats, das Gewebe um die Implantate, die Leber und andere lebenswichtige Organe durchgeführt. Für das Implantat wurde Ultraschall angewendet, um die an der Oberfläche des Drahtes aus Titan-Nickel-Legierung haftenden C. albicans zu entfernen. Als nächstes wurden die C. albicans vor der mikrobiellen Kultur durch Zentrifugation angereichert. Es wurde jedoch ein negatives Ergebnis gefunden, das nicht mit dem REM-Ergebnis übereinstimmte (Abbildung 2). Das REM-Ergebnis zeigte, dass C. albicans an der Oberfläche von Draht aus Titan-Nickel-Legierungen hafteten. Daher war das Ergebnis der mikrobiellen Kultur ein falsch negatives Ergebnis, was auf die enge Haftung von C. albicans an Draht aus Titan-Nickel-Legierungen zurückzuführen ist. Der Ultraschall konnte die C. albicans nicht erfolgreich aus dem Implantat entfernen. In ähnlicher Weise war auch die mikrobielle Kultur des Gewebes um Implantate und lebenswichtige Organe negativ. Es gibt zwei mögliche Gründe: (1) Die Anzahl der in dieser Studie geimpften C. albicans betrug nur 2000 KBE, was möglicherweise zu gering ist, um während des Versuchszeitraums in das umgebende Gewebe und das System einzudringen; (2) Die Sensitivität des Verfahrens zur Extraktion und Abtrennung von Krankheitserregern aus Geweben ist gering. Ein zuvor veröffentlichter Bericht deutet darauf hin, dass mikrobielle Kulturen leicht falsch negative Ergebnisse und verzögerte Behandlungen zeigen könnten³³. Die Grocott-Gomori-Färbung kann verwendet werden, um die Bildung von Hyphen im Knochen und Gelenk zu bestimmen³². Es kann auch hilfreich sein, die Inokulummenge zu erhöhen, die Versuchsdauer zu verlängern oder die Mäuse vor der Operation in einem immunsupprimierten Zustand zu halten³². Es ist jedoch zu beachten, dass eine langfristige Infektion zu einer tiefen Infektion oder sogar zu einer systemischen Infektion führen kann. Daher sollte der Versuchszeitraum entsprechend dem spezifischen Zweck gestaltet werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Studie ein erfolgreiches Mausmodell für C. albicans-Biofilm-assoziierte PJI erstellt wurde, das für die Erforschung der Prävention und Behandlung von C. albicans-Biofilm-assoziierten PIJ von großer Bedeutung sein könnte.

Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannt sind, die den Anschein erwecken könnten, dass sie die in diesem Artikel berichtete Arbeit beeinflusst haben.

Wir sind dankbar für die finanzielle Unterstützung durch die Natural Science Foundation of Shaanxi Province (Fördernummer 2021SF-118) und die National Natural Science Foundation of China (Fördernummern 81973409, 82204631).