A new rabbit model of implant-related biofilm infection: development and evaluation

Abstract

This study is to establish a rabbit model for human prosthetic joint infection and biofilm formation. Thirty-two healthy adult rabbits were randomly divided into four groups and implanted with stainless steel screws and ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) washers in the non-articular surface of the femoral lateral condyle of the right hind knees. The rabbit knee joints were inoculated with 1 mL saline containing 0, 10², 10³, 10⁴ CFU of Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) isolated from the patient with total knee arthroplasty (TKA) infection, respectively. On the 14th postoperative day, the UHMWPE washers from the optimal 10³ CFU group were further examined. The SEM examination showed a typical biofilm construction that circular S. epidermidis were embedded in a mucous-like matrix. In addition, the LCSM examination showed that the biofilm consisted of the polysaccharide stained bright green fluorescence and S. epidermidis radiating red fluorescence. Thus, we successfully create a rabbit model for prosthetic joint infection and biofilm formation, which should be valuable for biofilm studies.

Keywords

implant / infection / biofilm / model / rabbit

References

[1] Kurtz S M, Lau E, Watson H, . Economic burden of periprosthetic joint infection in the United States. The Journal of Arthroplasty, 2012, 27(8 Suppl): 61–65

[2] Haenle M, Skripitz C, Mittelmeier W, . Economic impact of infected total hip arthroplasty in the German diagnosis-related groups system. Der Orthopade, 2012, 41(6): 467–476

[3] Haenle M, Skripitz C, Mittelmeier W, . Economic impact of infected total knee arthroplasty. The Scientific World Journal, 2012, (1): 196515

[4] Kurtz S M, Lau E, Schmier J, . Infection burden for hip and knee arthroplasty in the United States. The Journal of Arthroplasty, 2008, 23(7): 984–991

[5] Del Pozo J L, Patel R. Clinical practice. Infection associated with prosthetic joints. The New England Journal of Medicine, 2009, 361(8): 787–794

[6] Phillips J E, Crane T P, Noy M, . The incidence of deep prosthetic infections in a specialist orthopaedic hospital: a 15-year prospective survey. The Journal of Bone and Joint Surgery (British Volume), 2006, 88B(7): 943–948

[7] Pulido L, Ghanem E, Joshi A, . Periprosthetic joint infection: the incidence, timing, and predisposing factors. Clinical Orthopaedics and Related Research, 2008, 466(7): 1710–1715

[8] Jämsen E, Varonen M, Huhtala H, . Incidence of prosthetic joint infections after primary knee arthroplasty. The Journal of Arthroplasty, 2010, 25(1): 87–92

[9] Kurtz S, Ong K, Lau E, . Projections of primary and revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030. The Journal of Bone and Joint Surgery (American Volume), 2007, 89(4): 780–785

[10] Kurtz S M, Lau E, Schmier J, . Infection burden for hip and knee arthroplasty in the United States. The Journal of Arthroplasty, 2008, 23(7): 984–991

[11] Vuong C, Otto M. Staphylococcus epidermidis infections. Microbes and Infection, 2002, 4(4): 481–489

[12] Zimmerli W, Trampuz A, Ochsner P E. Prosthetic-joint infections. The New England Journal of Medicine, 2004, 351(16): 1645–1654

[13] Costerton W, Veeh R, Shirtliff M, . The application of biofilm science to the study and control of chronic bacterial infections. Journal of Clinical Investigation, 2003, 112(10): 1466–1477

[14] Høiby N, Ciofu O, Johansen H K, . The clinical impact of bacterial biofilms. International Journal of Oral Science, 2011, 3(2): 55–65

[15] Percival S L, Hill K E, Malic S, . Antimicrobial tolerance and the significance of persister cells in recalcitrant chronic wound biofilms. Wound Repair and Regeneration, 2011, 19(1): 1–9

[16] Srinivasan A, Uppuluri P, Lopez-Ribot J, . Development of a high-throughput Candida albicans biofilm chip. PLoS ONE, 2011, 6(4): e19036

[17] Zimmerli W, Moser C. Pathogenesis and treatment concepts of orthopaedic biofilm infections. FEMS Immunology and Medical Microbiology, 2012, 65(2): 158–168

[18] Geipel U. Pathogenic organisms in hip joint infections. International Journal of Medical Sciences, 2009, 6(5): 234–240

[19] Pandey R, Berendt A R, Athanasou N A. Histological and microbiological findings in non-infected and infected revision arthroplasty tissues. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery, 2000, 120(10): 570–574

[20] Talsma S S. Biofilms on medical devices. Home Healthcare Nurse, 2007, 25(9): 589–594

[21] Otto M. Staphylococcal biofilms. Current Topics in Microbiology and Immunology, 2008, 322: 207–228

[22] Otto M. Staphylococcus epidermidis — the ‘accidental’ pathogen. Nature Reviews: Microbiology, 2009, 7(8): 555–567

[23] Pribaz J R, Bernthal N M, Billi F, . Mouse model of chronic post-arthroplasty infection: noninvasive in vivo bioluminescence imaging to monitor bacterial burden for long-term study. Journal of Orthopaedic Research, 2012, 30(3): 335–340

[24] Scherr T D, Lindgren K E, Schaeffer C R, . Mouse model of post-arthroplasty Staphylococcus epidermidis joint infection. Methods in Molecular Biology, 2014, 1106: 173–181

[25] Søe N H, Jensen N V, Nürnberg B M, . A novel knee prosthesis model of implant-related osteomyelitis in rats. Acta Orthopaedica, 2013, 84(1): 92–97

[26] Bernthal N M, Stavrakis A I, Billi F, . A mouse model of post-arthroplasty Staphylococcus aureus joint infection to evaluate in vivo the efficacy of antimicrobial implant coatings. PLoS ONE, 2010, 5(9): e12580

[27] Belmatoug N, Crémieux A C, Bleton R, . A new model of experimental prosthetic joint infection due to methicillin-resistant Staphylococcus aureus: a microbiologic, histopathologic, and magnetic resonance imaging characterization. The Journal of Infectious Diseases, 1996, 174(2): 414–417

[28] Lucke M, Schmidmaier G, Sadoni S, . A new model of implant-related osteomyelitis in rats. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 2003, 67B(1): 593–602

[29] Craig M R, Poelstra K A, Sherrell J C, . A novel total knee arthroplasty infection model in rabbits. Journal of Orthopaedic Research, 2005, 23(5): 1100–1104

[30] Isenberg H D. Clinical Microbiology Procedure Handbook. 1st ed. Washington, DC: American Society for Microbiology, 1992

[31] Steckelberg J M, Osmon D R. Prosthetic joint infection. In: Waldvogel F A, ed. Infections Associated with Indwelling Medical Devices. 3rd ed. Washington, DC: ASM Press, 2000, 173–205

[32] Montanaro L, Speziale P, Campoccia D, . Scenery of Staphylococcus implant infections in orthopedics. Future Microbiology, 2011, 6(11): 1329–1349

[33] Hellmark B, Söderquist B, Unemo M, . Comparison of Staphylococcus epidermidis isolated from prosthetic joint infections and commensal isolates in regard to antibiotic susceptibility, agr type, biofilm production, and epidemiology. International Journal of Medical Microbiology, 2013, 303(1): 32–39

[34] Chen-Charpentier B M, Stanescu D. Biofilm growth on medical implants with randomness. Mathematical and Computer Modelling, 2011, 54(7–8): 1682–1686

[35] Sendi P, Banderet F, Graber P, . Clinical comparison between exogenous and haematogenous periprosthetic joint infections caused by Staphylococcus aureus. Clinical Microbiology and Infection, 2011, 17(7): 1098–1100

[36] Berbari E F, Hanssen A D, Duffy M C, . Risk factors for prosthetic joint infection: case-control study. Clinical Infectious Diseases, 1998, 27(5): 1247–1254

[37] Zimmerli W, Sendi P. Pathogenesis of implant-associated infection: the role of the host. Seminars in Immunopathology, 2011, 33(3): 295–306

[38] Rodet A. Physiologie pathologique – étudeexpérimentalesurl’ostéomyeliteinfectieuse. C R Acad Sci, 1885, 99: 569–571

[39] Zurexperimentellenerzeugungosteomyelitischerherde L E. Arch Klin Chir, 1894, 48: 181–200

[40] Rissing J P, Buxton T B, Weinstein R S, . Model of experimental chronic osteomyelitis in rats. Infection & Immunity, 1985, 47(3): 581–586

[41] Fukushima N, Yokoyama K, Sasahara T, . Establishment of rat model of acute staphylococcal osteomyelitis: relationship between inoculation dose and development of osteomyelitis. Archives of Orthopaedic & Trauma Surgery, 2005, 125(3): 169–176

[42] Ofluoglu E A, Zileli M, Aydin D, . Implant-related infection model in rat spine. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery, 2007, 127(5): 391–396

[43] Poultsides L A, Papatheodorou L K, Karachalios T S, . Novel model for studying hematogenous infection in an experimental setting of implant-related infection by a community-acquired methicillin-resistant S. aureus strain. Journal of Orthopaedic Research, 2008, 26(10): 1355–1362

[44] Vogelyl H C, Dhertl W J A, Fleer A, . The infected orthopaedic implant. An animal model to study the mechanisms of haematogenous infection of cementless implant materials. Euro-pean Journal of Orthopaedic Surgery & Traumatology, 1996, 6(2): 91–95

[45] Boles B R, Horswill A R. Staphylococcal biofilm disassembly. Trends in Microbiology, 2011, 19(9): 449–455

[46] Mack D, Becker P, Chatterjee I, . Mechanisms of biofilm formation in Staphylococcus epidermidis and Staphylococcus aureus: functional molecules, regulatory circuits, and adaptive responses. International Journal of Medical Microbiology, 2004, 294(2–3): 203–212

[47] Stewart S, Barr S, Engiles J, . Vancomycin-modified implant surface inhibits biofilm formation and supports bone-healing in an infected osteotomy model in sheep: a proof-of-concept study. The Journal of Bone and Joint Surgery (American Volume), 2012, 94(15): 1406–1415

[48] Alt V, Lips K S, Henkenbehrens C, . A new animal model for implant-related infected non-unions after intramedullary fixation of the tibia in rats with fluorescent in situ hybridization of bacteria in bone infection. Bone, 2011, 48(5): 1146–1153

[49] Montanaro L, Poggi A, Visai L, . Extracellular DNA in biofilms. The International Journal of Artificial Organs, 2011, 34(9): 824–831

[50] Cue D, Lei M G, Lee C Y. Genetic regulation of the intercellular adhesion locus in staphylococci. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2012, 2: 38

[51] Foster T J, Geoghegan J A, Ganesh V K, . Adhesion, invasion and evasion: the many functions of the surface proteins of Staphylococcus aureus. Nature Reviews: Microbiology, 2013, 12(1): 49–62

[52] Stoodley P, Kathju S, Hu F Z, . Molecular and imaging techniques for bacterial biofilms in joint arthroplasty infections. Clinical Orthopaedics and Related Research, 2005, 437: 31–40

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg