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Zielsetzung und Fragestellung: Periprothetische Infektionen (PJI) gehören zu den schwerwiegendsten Komplikationen nach Gelenkersatz und sind eine der häufigen Ursachen für Revisionseingriffe. Vorherige Studien weisen auf eine gesteigerte Knochenresorption bei PJI hin, insbesondere bei durchStaphylococcus aureus verursachten Infektionen. Die genauen molekularen Mechanismen sowie der Einfluss erregerspezifischer Genexpressions- und synovialer Zytokinprofile sind jedoch weitgehend unklar. Ziel dieser Studie ist es daher, die strukturellen, zellulären und molekularen Veränderungen des Knochens bei PJI zu charakterisieren, um neue diagnostische Marker und potentielle therapeutische Ansätze zu identifizieren.

Material und Methoden: Die Studie umfasst die Analyse von 30 Knochenproben von PJI-Patienten, die im Rahmen der Prothesenexplantation entnommen wurden. Als Kontrollgruppen dienten Patientenproben aus aseptischen Revisionsoperationen sowie primären Hüft-Totalendoprothesen (n=30). Parallel wurde Synovialflüssigkeit der Patienten analysiert. Zur hochauflösenden Charakterisierung der Knochenmikrostruktur und der Mineralisation wurden die Proben mittels unentkalkter Histologie und Histomorphometrie sowie Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Zusätzlich erfolgte eine immunhistochemische Analyse relevanter Marker der Knochenhomöostase und Angiogenese. Die Analyse der Synovialflüssigkeit mittels Multiplexassay ermöglichte die Quantifizierung zentraler Knochenstoffwechselmarker und inflammatorischer Zytokine.

Ergebnisse: PJI-Proben wiesen eine deutlich gesteigerte Knochenumbaurate auf, was durch eine vermehrte Anzahl an Osteoblasten und Osteoklasten (PJI 16,45±8,98 vs. aseptische Revision 7,26±3,54, p<0,001) bestätigt wurde. Zudem waren die Osteozyten signifikant vergrößert und es zeigte sich eine erhöhte Heterogenität der Matrixmineralisation (PJI 3,74±0,65 vs. asep. Rev. 3,47±0,55, p=0,365), was auf eine relevante Beeinträchtigung der periprothetischen Knochenqualität hindeutet. Die Analyse der Synovialflüssigkeit ergab ein charakteristisches Zytokinprofil mit signifikant erhöhten proinflammatorischen Zytokinen und gleichzeitig reduzierten Knochenmarkern, darunter IL-1 (PJI 94,26±112,8 vs. asep. Rev. 0,95±3,8, p<0,001), IL-6 (PJI 5288±2014 vs. asep. Rev. 2132±2496, p=0.004) und FGF-23 (PJI 3,33±2,56 vs. asep. Rev. 11,56±6,42, p=0.002).

Diskussion und Schlussfolgerung: Unsere Arbeit liefert neue Erkenntnisse zur Pathophysiologie der PJI und deren Auswirkungen auf die periprothetische Knochenmikrostruktur durch einen hochauflösenden, multiskaligen Analyseansatz. Die Kombination aus mikroarchitektonischer Untersuchung, Zytokinprofilierung sowie der Untersuchung von Wirt-Pathogen-Interaktionen könnte zur Entwicklung innovativer diagnostischer und therapeutischer Strategien beitragen. Speziell könnte bestimmte Marker, wie die Osteoklastenzahl, in Zukunft als Marker für Infektpersistenz evaluiert werden und neue synoviale Marker in der PJI-Diagnostik genutzt werden.