¹Technische Universität München – Heinz Nixdorf Lehrstuhl für biomedizinische Elektronik, München, Deutschland
²Technische Universität München, München, Deutschland
³TUM Universitätsklinikum rechts der Isar – Arbeitsgruppe Implantat-assoziierte Infektforschung, München, Deutschland
⁴TUM Universitätsklinikum rechts der Isar, München, Deutschland

Text

Zielsetzung und Fragestellung: Die Bestimmung des optimalen Zeitpunktes der Reimplantation stellt große Herausforderung bei der Behandlung periprothetischer Gelenkinfektionen (PJI) dar. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurde das Projekt Smart Wireless Implant for Infection Monitoring (SWI2M; BMBF: 01EK2107A) initiiert. Ziel ist es die Effizienz der Behandlung patienten-individuell zukünftig zu verbessern. Das Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung eines sensorisierten Knochenzement-Spacers für das Kniegelenk (SmartSpacer). Damit können zukünftig Knie-Spacer bei der zweizeitigen Revision infizierter Kniegelenksprothesen (rTKA) mit einer diagnostischen Einheit ausgestattet werden. Der SmartSpacer soll ein Monitoring der Infektsituation im Knie durch die Echtzeit-Erfassung von Temperatur-, Bildgebungs- und Lichtstreuungsmerkmalen von Synovialflüssigkeit und Gewebe ermöglichen. Ziel des Projektes ist die Personalisierung des Reimplantationszeitpunktes und Verringerung postchirurgischer Komplikationen.

Material und Methoden: In diesem Experiment wird die Bakterienkonzentration in einer Verdünnungsreihe durch die Erfassung ihrer spektralen Eigenschaften und die Anwendung eines statistischen Auswertealgorithmus bestimmt. Dabei werden Staphylococcus aureus (ATCC 25923) und Staphylococcus epidermidis (ATCC 35984) in einer Verdünnungsreihe von 10² bis 10⁶ CFU/ml erstellt. Die Rückstreuspektren werden in einzelnen Küvetten mittels eines optischen Aufbaus, welches der finalen Version im In Vivo Porcine Tierversuch entspricht. Ein eigens entwickelter Algorithmus wertet die Spektren statistisch aus, um die Bakterienkonzentration zu bestimmen (siehe Abbildung 1 [Fig. 1]).

Ergebnisse: Im In Vitro-Model Versuch wurden 44 Messtage aufgenommen und in 30 Trainingstage und 14 Testtages aufgeteilt. Aus den Trainingsdaten konnten nach Optimierung des Algorithmus 19 Tage für 10² CFU/ml, 10 Tage für 10³ CFU/ml, 19 Tage für 10⁴ CFU/ml und 20 Tage für 10⁶ CFU/ml richtige Konzentration ermittelt werden. Bei Anwendung des Algorithmus auf die Testtage ergaben sich korrekte Konzentrationen für 60,7% für 10² CFU/ml, 46,4% für 10³ CFU/ml, 39,2% für 10⁴ CFU/ml und 60,7% für 10⁶ CFU/ml richtige Konzentration.

Diskussion und Schlussfolgerung: Mithilfe des Spektrometers kann nachgewiesen werden, dass die Unterscheidung von verschiedenen Bakterienkonzentrationen in einer Verdünnungsreihe möglich ist, wo bei das Trending zwischen die Konzentration ersichtlich wird und die Bakterienkonzentration nicht unterschätzt wird. Für Überprüfung der Machtbarkeit innerhalb des vorgestellten SmartSpacer-Systems sollen weitere Experimente in einem Ex Vivo Versuch folgen.