Infeksi peri-prostetik adalah komplikasi serius setelah penggantian sendi prostetik dan bahkan jika mereka akhirnya dikelola secara efektif, durasi pengobatan seringkali lama dan pasien mengalami kehilangan fungsi sendi dalam waktu lama dan kesulitan dalam melanjutkan partisipasi dalam pekerjaan sehari-hari, membuat hasil keseluruhan buruk.
Alasan utama untuk hasil yang buruk ini adalah bahwa seringkali sulit untuk secara akurat mendiagnosis infeksi periprostetik sejak dini dan oleh karena itu untuk mengelolanya dengan benar. Pemahaman tentang perubahan patologis dasar pada infeksi periprostetik dapat membantu memandu diagnosis dan manajemennya.
Kriteria diagnostik saat ini untuk semua jenis infeksi, termasuk infeksi periprostetik, sebagian besar masih didasarkan pada ekstrapolasi yang diusulkan oleh Koch pada tahun 1884 dan berbagai modifikasinya. Semua kriteria ini melibatkan isolasi bakteri patogen terlebih dahulu dari jaringan dan cairan tubuh, kemudian mengidentifikasi spesiesnya dan melakukan tes sensitivitas obat untuk memilih antibiotik yang sesuai untuk pengobatan.
Tindakan sederhana seperti itu telah terbukti efektif pada sebagian besar kasus infeksi. Namun demikian, karena sebagian besar bakteri tidak tumbuh secara alami sebagai koloni sederhana pada media bakteri laboratorium umum, termasuk agar, mereka terbentuk sebagai film bakteri.
Penelitian telah mengusulkan dan mempelajari teori biofilm pertumbuhan mikroba dan dasar ilmiah yang kuat telah dikembangkan. Teori biofilm telah diterima secara luas di bidang polusi laut, pengolahan air, dan industri makanan. Cendekiawan Amerika ArnoldWV et al. mengulas biofilm dalam infeksi periprostetik dalam tutorial AAOS.
Teori biofilm menunjukkan bahwa bakteri bertahan hidup dan tumbuh dalam dua cara yang berbeda.
Satu, bakteri uniseluler ini mampu bertahan hidup dan tumbuh pada matriks biofilm kompleks yang serupa dalam struktur dan fungsi dengan matriks ekstraseluler, yang merupakan ciri penting dari organisme multiseluler tingkat tinggi. Biofilm bakteri diproduksi oleh bakteri itu sendiri dan memberikan perlindungan dan arsitektur jaringan untuk bertahan hidup, yang memfasilitasi aktivitas metabolisme bakteri dan pensinyalan antara bakteri yang berbeda.
Kedua, bakteri juga dapat eksis dalam bentuk planktonik, bentuk umum dari kelangsungan hidup organisme uniseluler tradisional. Monomer bakteri dalam bentuk planktonik tidak memiliki struktur organisasi di antara mereka dan tidak menghasilkan gradien yang dimediasi secara kimiawi atau lingkungan mikro-ekologi yang sesuai.
Bentuk bakteri yang ada sangat penting untuk pengobatan infeksi yang disebabkan oleh bakteri yang bersangkutan.
Keadaan planktonik memfasilitasi penyebaran infeksi, tetapi pada saat yang sama rentan terhadap serangan oleh sistem kekebalan tubuh dan antimikroba. Sebaliknya, bakteri dalam bentuk biofilm lebih kecil kemungkinannya untuk menyebar, tetapi juga terlindungi dari serangan sistem kekebalan tubuh dan kurang sensitif terhadap pengobatan antimikroba.
Gambar 1 menunjukkan diagram skematik berdasarkan studi oleh Boles dan Horswill, Otto, Resch et al. yang menunjukkan karakteristik khas biofilm dalam kasus stafilokokus. Kotak biru menunjukkan langkah-langkah utama dalam pembentukan biofilm, kotak kuning menunjukkan lingkungan kimiawi di mana bakteri terpapar dan kotak merah menunjukkan fenotip bakteri yang berbeda. Sel-sel planktonik menghasilkan faktor-faktor patogenik, mengurangi adhesi mereka dan meningkatkan dispersi bakteri untuk menghambat agregasi biofilm melalui sistem regulator gen aksesori (agr). eps: polimer ekstraseluler.
Perlu dicatat bahwa jamur, seperti infeksi Candida, juga dapat hadir sebagai biofilm.
Karakteristik biologis infeksi Untuk mengembangkan infeksi, bakteri pertama-tama harus diinokulasi di tempat dengan kondisi yang sesuai. Biasanya, Staphylococcus adalah bakteri komensal di permukaan tubuh dan dapat masuk ke dalam tubuh sebagai patogen melalui sayatan bedah ketika menjalani operasi. Pada titik ini, bakteri biasanya dianggap dalam bentuk planktonik.
Begitu berada di dalam tubuh, bakteri ini harus menempel pada jaringan yang mengelilingi prostesis atau ke permukaan prostesis. Biologi molekuler adhesi stafilokokus adalah sebagai berikut: bakteri ini mengeluarkan faktor adhesi yang termasuk dalam keluarga MSCRAMM (komponen permukaan mikroba yang mengenali matriks perekat), yang memfasilitasi adhesi bakteri ini ke berbagai protein matriks yang dienkapsulasi sel.
Staphylococcus aureus (S. aureus) memiliki gen yang mengkode lebih dari 20 adhesin. Selain itu, faktor adhesi yang berikatan dengan fibronektin dalam matriks ekstraseluler dapat membantu memediasi masuknya S. aureus ini ke dalam bagian dalam sel manusia, di mana bakteri ini juga dapat mereplikasi di dalam sel inang.
Setelah bakteri berhasil melekat, mereka memasuki fase replikasi, di mana mereka cenderung paling rentan. Namun demikian, pada inang yang imunokompeten, terjadinya infeksi tergantung pada kemampuan sistem kekebalan tubuh inang untuk membersihkan bakteri yang menyerang dari tubuh.
Antimikroba saja tidak dapat membersihkan infeksi, tetapi jelas dapat membantu tubuh dalam memerangi bakteri yang berkoloni. Demikian pula, mekanisme apa pun yang membantu bakteri untuk lolos dari serangan sistem kekebalan tubuh, atau untuk menangkal serangan oleh obat antimikroba atau sistem kekebalan tubuh, memfasilitasi bakteri patogen untuk memulai infeksi.
Setelah S. aureus melekat pada permukaan prostesis, ia memulai fase pertumbuhan dan kolonisasi dan melepaskan faktor septik yang beracun bagi inang. Selama fase ini, bakteri dirangsang oleh faktor lingkungan untuk memulai atau mematikan ekspresi gen spesifik dengan cara yang sangat tepat dan terkoordinasi.
Selain itu, para peneliti menemukan bahwa sistem kontak yang dikenal sebagai penginderaan kuorum terkait erat di antara bakteri yang berbeda untuk mengkomunikasikan informasi, yang dapat berkontribusi pada pertumbuhan koloni secara keseluruhan dan mengkoordinasikan pembentukan biofilm.
Bakteri pada akhirnya terbungkus dalam biofilm bakteri yang terdiri dari polisakarida, glikoprotein dan DNA ekstraseluler (eDNA). Bakteri yang ada di dalam biofilm tumbuh dengan cara yang berbeda secara fundamental dengan bakteri dalam keadaan planktonik, dan keduanya dapat dianggap sebagai fenotipe yang berbeda dari bakteri yang sama.
Bakteri di dalam biofilm dapat menahan antibiotik pada konsentrasi 100 kali lebih tinggi daripada yang diperlukan untuk membunuh bakteri planktonik dan juga lebih tahan terhadap serangan sistem kekebalan tubuh. Namun, sel darah putih masih memiliki kemampuan untuk menyerang biofilm.
Biofilm juga memfasilitasi pertukaran nutrisi, dan bakteri dapat terlepas dari biofilm dan masuk kembali ke dalam keadaan planktonik, atau mencapai bagian lain dari tubuh dalam aliran fragmen biofilm yang stabil, bahkan menyebabkan infeksi sistemik akut.
Bakteri mungkin ada dalam keadaan yang relatif diam di dalam biofilm dalam bentuk yang kurang ganas, tetapi biofilm masih dapat merangsang serangkaian respons inflamasi yang terus menghancurkan jaringan di sekitarnya dan akhirnya menyebabkan gejala klinis termasuk rasa sakit dan, dalam kasus infeksi kronis dengan durasi yang lebih lama, hingga pelonggaran prostetik.
Pembentukan biofilm telah terdeteksi pada permukaan perangkat implan medis seperti kateter perut, kateter vaskular, lensa kontak, perangkat ortopedi dan prostesis sendi buatan. Selain itu, pembentukan biofilm telah ditemukan pada banyak lesi infeksi kronis yang tidak terkait endofit seperti: prostatitis, fibrosis kistik, endokarditis, otitis media, dan osteomielitis.
Diagnosis infeksi periprostetik berdasarkan teori biofilm
Diagnosis infeksi periprostetik kronis seringkali sulit dan biasanya ditentukan oleh indikator tidak langsung termasuk laju sedimentasi eritrosit (ESR), protein C-reaktif (CRP), jumlah sel cairan sendi, dan rasio leukosit cairan sendi. Penelitian yang lebih baru telah melangkah lebih jauh dan mengukur kadar esterase leukosit dalam cairan sendi untuk membantu diagnosis.
Semua alat diagnostik ini pada dasarnya adalah tes respon pembersihan sistem kekebalan tubuh terhadap infeksi periprostetik daripada cara langsung untuk mengidentifikasi agen penyebab.
Musculoskeletal Infection Society (MSIS) dan American Academy of Orthopaedic Surgeons (AAOS) keduanya telah menerbitkan protokol dan jalur untuk diagnosis infeksi periprostetik.
Ketidakmampuan untuk mengisolasi organisme penyebab dari cairan artrosentesis pada kasus yang dicurigai infeksi periprostetik kronis sangat umum terjadi. Kesulitan dalam diagnosis tidak sulit untuk dipahami ketika faktor biofilm diperhitungkan.
Bakteri dalam keadaan planktonik dapat dengan mudah berhasil diisolasi dan dikultur dengan teknik pengujian laboratorium konvensional, tetapi bakteri yang ada dalam biofilm sulit dideteksi dengan cara yang sama. Sebaliknya, sebagian besar bakteri dalam kasus infeksi kronis hadir dalam biofilm.
Beberapa metode yang lebih baru untuk mendiagnosis infeksi periprostetik menggunakan teknik biologi molekuler termasuk reaksi berantai polimerase (PCR). Meskipun PCR dapat menunjukkan keberadaan bakteri dengan mendeteksi RNA ribosomal spesifik bakteri, namun PCR memerlukan amplifikasi dengan primer spesifik bakteri untuk mengidentifikasi spesies penyebab.
Kombinasi PCR dan spektrometri massa, yang dikenal sebagai teknologi Ibis, telah digunakan untuk mengidentifikasi bakteri patogen dan telah menunjukkan aplikasi yang menjanjikan. Sebuah studi baru-baru ini menggunakan teknik Ibis untuk berhasil mendeteksi keberadaan bakteri patogen dalam kasus infeksi periprostetik kultur-negatif dan dalam beberapa kasus revisi apa yang dianggap sebagai pelonggaran aseptik prostesis. Dari jumlah tersebut, teknik Ibis mendeteksi bakteri patogen pada 15 dari 57 kasus revisi dari apa yang dianggap sebagai pelonggaran aseptik prostesis.
Hasil tersebut memberikan beberapa dukungan untuk spekulasi sebelumnya oleh para peneliti bahwa banyak pelonggaran prostetik aseptik sebenarnya adalah infeksi kronis tingkat rendah. Teknik biologi molekuler baru ini dapat membantu dalam diagnosis infeksi periprostetik dan dalam mengkonfirmasi bahwa infeksi telah dibersihkan sebelum menyiapkan prostesis untuk dimasukkan kembali.
Manajemen infeksi periprostetik berdasarkan teori biofilm
Infeksi periprostetik biasanya pertama kali diklasifikasikan sebagai akut atau kronis sebelum rencana penatalaksanaan ditetapkan: infeksi yang terjadi dalam waktu 4 minggu setelah operasi awal dianggap akut, sedangkan infeksi yang terjadi setelah 4 minggu pasca operasi dianggap kronis.
Infeksi awal pascaoperasi biasanya dikaitkan dengan rasa nyeri, penyembuhan luka yang buruk, kemerahan dan bengkak yang terlokalisasi, dan luka yang lama mengeluarkan cairan. Ini juga termasuk timbulnya infeksi akut secara tiba-tiba pada sendi prostetik yang berfungsi dengan baik, biasanya setelah 1 tahun pasca operasi. Infeksi akut ini dianggap sebagai infeksi sekunder hematogen dari tempat yang terinfeksi di tempat lain dalam tubuh dan biasanya muncul sebagai sendi yang bengkak dan nyeri.
Infeksi periprostetik kronis biasanya kurang jelas dan mungkin hanya muncul sebagai nyeri kronis.
Infeksi akut biasanya diobati dengan pembedahan, termasuk debridemen dan irigasi untuk mempertahankan prostesis, debridemen dan irigasi untuk mengganti prostesis (revisi fase I), debridemen dan irigasi untuk menghilangkan prostesis asli dan menempatkan spacer yang disemen dengan antibiotik, dan penyisipan kembali prostesis setelah infeksi terkontrol (revisi fase II).
Infeksi kronis dapat ditinjau kembali dalam satu atau dua tahap. Debridemen dan irigasi sederhana dengan retensi prostesis memiliki tingkat kegagalan yang sangat tinggi dalam pengelolaan infeksi periprostetik kronis.
Variasi yang luas dalam hasil dalam literatur untuk infeksi periprostetik akut yang diobati dengan debridemen dan retensi prostesis dapat dijelaskan sampai batas tertentu dengan adanya biofilm. Jika biofilm tidak sepenuhnya dihilangkan dari area yang terinfeksi, maka pendekatan bedah apa pun pada akhirnya akan gagal.
Debridemen sederhana dan irigasi dengan retensi prostesis dapat berhasil jika pembedahan dilakukan tepat waktu sebelum biofilm terbentuk pada permukaan prostesis, atau jika biofilm dihilangkan secara memadai selama pembedahan. Dalam kasus infeksi kronis, debridemen intraoperatif yang lebih menyeluruh mungkin diperlukan untuk menghilangkan biofilm yang mungkin telah terbentuk di jaringan tulang yang mengelilingi prostesis.
Meskipun revisi tahap kedua dianggap lebih dapat diandalkan, jika biofilm tidak sepenuhnya dihilangkan dari lesi, kegagalan akhirnya tidak dapat dihindari. Inti dari revisi tahap kedua dan revisi tahap pertama adalah untuk menghilangkan semua biofilm dari komponen prostetik, termasuk permukaannya, sehingga biofilm dapat dihilangkan dari jaringan di sekitar lesi.
Arah penelitian di masa depan
Tujuan penelitian di masa depan termasuk menjelaskan proses yang mendasari infeksi bakteri dan pembentukan biofilm.
Jelas, langkah pertama dalam mencegah pembentukan infeksi terletak pada pencegahan adhesi bakteri.
Dari perspektif prostetik, langkah-langkah seperti mengembangkan struktur permukaan prostetik yang tidak menarik tempat tinggal bakteri dan merawat permukaan prostetik dengan lapisan antimikroba dapat mengurangi pembentukan biofilm bakteri. Meskipun telah ditemukan bahwa prostesis dengan vankomisin yang terikat secara kovalen ke permukaan dapat secara efektif menghambat pertumbuhan Staphylococcus aureus sambil tetap mempromosikan penyembuhan tulang, hal ini juga dapat menyebabkan resistensi bakteri terhadap antibiotik masing-masing.
Pendekatan lain adalah merawat permukaan prostesis dengan biosurfaktan yang melekat pada prostesis. Beberapa bakteri, seperti Lactobacillus, mampu mensintesis kompleks dengan afinitas ganda dan dapat digunakan untuk merawat lapisan permukaan berbasis silikon. Alkohol akasia, yang diklasifikasikan sebagai alkohol yang berasal dari jeruk, baru-baru ini ditemukan dapat menghambat pembentukan biofilm Staphylococcus aureus pada permukaan paduan titanium. Beberapa bahan lain mungkin tidak cocok untuk perawatan pelapisan permukaan prostetik, tetapi mereka dapat digunakan untuk menghilangkan atau mengganggu biofilm.
Memblokir induksi koloni antar bakteri adalah pengobatan lain yang memungkinkan. Penelitian yang lebih mendalam tentang mekanisme molekuler dari fenomena penginderaan populasi telah membuatnya lebih layak untuk mengganggu lalu lintas informasi di antara bakteri. Beberapa peneliti telah menemukan bahwa penggunaan peptida penghambat asam ribonukleat III efektif dalam mencegah infeksi terkait cangkok yang disebabkan oleh berbagai bakteri Staphylococcus spp. Tujuan akhir dari penelitian ini adalah untuk menemukan inhibitor serupa yang dapat secara aktif melintasi banyak, bukan dinding bakteri tertentu.
Penelitian juga difokuskan pada pengembangan vaksin terhadap bakteri patogen umum seperti Staphylococcus aureus. Vaksin yang menargetkan antigen biofilm spesifik telah ditunjukkan sebelumnya dalam penelitian pada hewan untuk mengobati osteomielitis kronis S. aureus.
Kombinasi vaksin dan vankomisin secara signifikan mengurangi tingkat infeksi pada hewan percobaan dan bahkan efektif melawan infeksi yang disebabkan oleh Staphylococcus aureus yang resisten methicillin. Model ini juga menyoroti pentingnya membedakan antara fenotipe bakteri yang berbeda: vankomisin digunakan untuk membersihkan bentuk planktonik bakteri, sedangkan vaksin digunakan untuk membersihkan bentuk biofilm.
Jika antigen bakteri spesifik dapat diisolasi dan antibodi yang sesuai dapat diproduksi lebih lanjut, maka, cara yang efektif untuk mendiagnosis dan mengobati infeksi biofilm dapat ditemukan.
Kesimpulan
Banyak tantangan yang saat ini dihadapi dalam diagnosis dan pengobatan infeksi periprostetik kronis dapat dijelaskan oleh teori biofilm. Penelitian dasar lebih lanjut akan membantu mendapatkan wawasan tentang biologi biofilm dan dengan demikian membantu meningkatkan tingkat keberhasilan diagnosis dan pengobatan infeksi kronis ini.
Menemukan rejimen terapeutik yang tidak hanya menargetkan strain bakteri atau jamur tertentu, tetapi juga beberapa patogen, tetap merupakan tantangan besar.