As infecções periprotéticas são uma complicação grave após a substituição da articulação protética e mesmo que sejam eventualmente geridas eficazmente, a duração do tratamento é frequentemente longa e o paciente experimenta um longo período de perda da função articular e dificuldade em continuar a participar no trabalho diário, tornando o resultado global pobre.
A principal razão para este mau resultado é que muitas vezes é difícil diagnosticar com precisão as infecções peri-protéticas precocemente e, portanto, geri-las correctamente. Uma compreensão das alterações patológicas subjacentes nas infecções peripróticas pode ajudar a orientar o seu diagnóstico e gestão.
Os actuais critérios de diagnóstico para todos os tipos de infecções, incluindo as infecções peri-protéticas, ainda se baseiam largamente nas extrapolações propostas por Koch em 1884 e nas suas várias modificações. Todos estes critérios envolvem primeiro isolar as bactérias patogénicas dos tecidos e fluidos corporais, depois identificar as suas espécies e realizar testes de sensibilidade aos medicamentos para seleccionar o antibiótico adequado para o tratamento.
Uma medida tão simples demonstrou ser eficaz na maioria dos casos de infecção. No entanto, como a maioria das bactérias não cresce naturalmente como simples colónias em meios bacterianos de laboratório comuns, incluindo o ágar, elas formam como filmes bacterianos.
A investigação propôs e aprofundou a teoria do biofilme do crescimento microbiano, tendo sido desenvolvida uma base científica sólida. A teoria do biofilme tem sido amplamente aceite nos domínios da poluição marinha, do tratamento da água e da indústria alimentar. O estudioso americano ArnoldWV et al. analisam biofilmes em infecções peri-protéticas num tutorial de AAOS.
A teoria do biofilme sugere que as bactérias sobrevivem e crescem de duas formas diferentes.
Primeiro, estas bactérias unicelulares são capazes de sobreviver e crescer numa matriz complexa de biofilme semelhante em estrutura e função à matriz extracelular, que é um importante marcador de organismos multicelulares de alta qualidade. Os biofilmes bacterianos são produzidos pelas próprias bactérias e fornecem tanto protecção como uma arquitectura de tecidos para a sobrevivência, o que facilita as actividades metabólicas das bactérias e a sinalização entre as diferentes bactérias.
Em segundo lugar, as bactérias também podem existir numa forma planctónica, uma forma comum de sobrevivência dos organismos unicelulares tradicionais. Os monómeros bacterianos na forma planctónica não têm uma estrutura organizacional entre eles e não produzem um gradiente mediado por químicos ou um ambiente microecológico correspondente.
A forma sob a qual as bactérias existem é extremamente importante para o tratamento de infecções causadas pelas bactérias correspondentes.
O estado planctónico facilita a propagação da infecção, mas é ao mesmo tempo vulnerável ao ataque do sistema imunitário do organismo e dos antimicrobianos. Em contraste, as bactérias na forma de biofilme são menos susceptíveis de se espalharem, mas também estão protegidas contra o ataque do sistema imunitário e são menos sensíveis ao tratamento antimicrobiano.
A figura 1 mostra um diagrama esquemático baseado em estudos de Boles e Horswill, Otto, Resch et al. mostrando as características típicas dos biofilmes no caso dos estafilococos. As caixas azuis indicam os principais passos na formação do biofilme, as caixas amarelas indicam o ambiente químico em que as bactérias são expostas e as caixas vermelhas indicam os diferentes fenótipos das bactérias. As células planctónicas produzem factores patogénicos, reduzem a sua aderência e aumentam a dispersão bacteriana para inibir a agregação do biofilme através do sistema regulador do gene acessório (agr). eps: polímero extracelular.
Vale a pena notar que fungos, tais como infecções por Candida, podem também estar presentes como biofilmes.
Características biológicas da infecção Para que uma infecção ocorra, as bactérias devem primeiro ser inoculadas num local com condições adequadas. Normalmente, o Staphylococcus é uma bactéria comensal na superfície do corpo e pode entrar no corpo como um agente patogénico através de uma incisão cirúrgica quando submetido a cirurgia. Nesta altura, as bactérias são geralmente consideradas como estando na forma planctónica.
Uma vez no interior do corpo, estas bactérias devem aderir ao tecido que envolve a prótese ou à superfície da prótese. A biologia molecular da adesão estafilocócica é a seguinte: estas bactérias secretam factores de adesão pertencentes à família MSCRAMM (microbialsurface components recognizing adhesive matrixmolecules), que facilitam a adesão destas bactérias a várias proteínas de matriz encapsulada em células.
Staphylococcus aureus (S. aureus) tem genes que codificam mais de 20 adhesins. Além disso, os factores de adesão que se ligam à fibronectina na matriz extracelular podem ajudar a mediar a entrada destas S. aureus no interior das células humanas, onde estas bactérias também se podem replicar dentro da célula hospedeira.
Uma vez que as bactérias tenham aderido com sucesso, entram na fase de replicação, durante a qual são provavelmente mais vulneráveis. Contudo, num hospedeiro imunocompetente, a ocorrência de infecção depende da capacidade do sistema imunitário do hospedeiro de eliminar do corpo as bactérias invasoras.
Um antimicrobiano por si só não pode eliminar uma infecção, mas pode claramente ajudar o organismo a combater as bactérias colonizadas. Da mesma forma, qualquer mecanismo que ajude as bactérias a escapar ao ataque do sistema imunitário, ou a neutralizar o ataque de medicamentos antimicrobianos ou do sistema imunitário do organismo, facilita a infecção das bactérias patogénicas.
Uma vez que S. aureus tenha aderido à superfície da prótese, inicia a fase de crescimento e colonização e liberta factores sépticos que são tóxicos para o hospedeiro. Durante esta fase, as bactérias são estimuladas por factores ambientais para iniciar ou desligar a expressão genética específica de uma forma extremamente precisa e coordenada.
Além disso, os investigadores descobriram que um sistema de contacto conhecido como quorum sensing está estreitamente ligado entre diferentes bactérias para comunicar informação, o que pode contribuir para o crescimento global da colónia e coordenar a formação de biofilmes.
As bactérias são eventualmente envoltas num biofilme bacteriano constituído por polissacarídeos, glicoproteínas e ADN extracelular (eDNA). As bactérias presentes num biofilme crescem de uma forma fundamentalmente diferente das bactérias em estado planctónico, e as duas podem ser consideradas fenótipos diferentes da mesma bactéria.
As bactérias dentro dos biofilmes podem resistir a antibióticos em concentrações 100 vezes superiores às necessárias para matar bactérias planctónicas e são também mais resistentes ao ataque do sistema imunitário do organismo. No entanto, os glóbulos brancos ainda têm a capacidade de invadir o biofilme.
Os biofilmes também facilitam a troca de nutrientes e bactérias, podendo ser desalojados do biofilme e reentrar no estado planctónico ou alcançar outras partes do corpo num fluxo constante de fragmentos de biofilme, causando mesmo infecções sistémicas agudas.
As bactérias podem existir num estado relativamente quiescente dentro do biofilme numa forma menos virulenta, mas o biofilme ainda pode estimular uma série de respostas inflamatórias que continuam a destruir os tecidos circundantes e eventualmente levar a sintomas clínicos incluindo dor e, em casos de infecção crónica de maior duração, ao afrouxamento protético.
A formação de biofilme foi detectada nas superfícies de dispositivos médicos de implantes, tais como cateteres abdominais, cateteres vasculares, lentes de contacto, dispositivos ortopédicos e próteses articulares artificiais. Além disso, a formação de biofilme foi encontrada em muitas lesões infecciosas crónicas não endófitas, tais como: prostatite, fibrose cística, endocardite, otite média, e osteomielite.
Diagnóstico de infecções peri-protéticas sob a teoria do biofilme
O diagnóstico de infecções periprotéticas crónicas é frequentemente difícil e é geralmente determinado por indicadores indirectos, incluindo a taxa de sedimentação de eritrócitos (ESR), proteína C reactiva (CRP), contagem de células fluidas articulares, e rácio de leucócitos fluidos articulares. Estudos mais recentes foram mais longe e mediram os níveis de esterase leucocitária no fluido articular para ajudar no diagnóstico.
Todas estas ferramentas de diagnóstico são essencialmente testes da resposta do sistema imunitário do organismo à infecção periprostética, em vez de meios directos de identificação do agente causador.
A Musculoskeletal Infection Society (MSIS) e a American Academy of Orthopaedic Surgeons (AAOS) publicaram protocolos e vias para o diagnóstico de infecções peri-protéticas.
A incapacidade de isolar o organismo causador do fluido da artrocentese em casos suspeitos de infecção periprostética crónica é muito comum. As dificuldades no diagnóstico não são difíceis de compreender quando os factores do biofilme são tidos em conta.
As bactérias em estado planctónico podem ser facilmente isoladas e cultivadas com sucesso por técnicas convencionais de teste laboratorial, mas as bactérias presentes nos biofilmes são difíceis de detectar com sucesso pelos mesmos meios. Em contraste, a grande maioria das bactérias em casos de infecção crónica está presente em biofilmes.
Alguns dos métodos mais recentes de diagnóstico de infecções peripróticas empregam técnicas de biologia molecular, incluindo a reacção em cadeia da polimerase (PCR). Embora a PCR possa demonstrar a presença de bactérias através da detecção de RNA ribossómico específico de bactérias, requer amplificação com iniciadores específicos de bactérias para identificar as espécies causadoras.
Uma combinação de PCR e espectrometria de massa, conhecida como tecnologia Ibis, tem sido utilizada para identificar bactérias patogénicas e tem demonstrado aplicações promissoras. Um estudo recente utilizou a técnica Ibis para detectar com sucesso a presença de bactérias patogénicas em casos de infecção peri-protética em cultura e em alguns casos de revisão do que se pensava ser um afrouxamento asséptico da prótese. Destes, a técnica Ibis detectou bactérias patogénicas em 15 dos 57 casos de revisão do que se pensava ser um afrouxamento asséptico da prótese.
Tais resultados fornecem algum apoio à especulação anterior dos investigadores de que muitas próteses assépticas afrouxamento é de facto uma infecção crónica de baixo grau. Esta nova técnica de biologia molecular pode ajudar no diagnóstico de infecções peri-protéticas e na confirmação de que a infecção foi eliminada antes da preparação da prótese para a reinserção.
Gestão de infecções peri-protéticas sob a teoria do biofilme
As infecções periprotéticas são geralmente classificadas pela primeira vez como agudas ou crónicas antes de se estabelecer um plano de tratamento: as infecções que ocorrem dentro de 4 semanas após a cirurgia inicial são consideradas agudas, enquanto que as infecções que ocorrem após 4 semanas de pós-operatório são consideradas crónicas.
As infecções pós-operatórias precoces estão geralmente associadas a dor, cicatrização deficiente da ferida, vermelhidão e inchaço localizados, e escorrimento prolongado da ferida. Isto também inclui o início súbito de uma infecção aguda numa articulação protética que de outra forma funcionaria bem, geralmente após 1 ano de pós-operatório. Esta infecção aguda é considerada como uma infecção secundária hematogénica de um local infectado noutro local do corpo e apresenta-se normalmente como uma articulação inchada e dolorosa.
As infecções periprotéticas crónicas são geralmente menos óbvias e podem simplesmente apresentar-se como dor crónica.
As infecções agudas são geralmente tratadas cirurgicamente, incluindo desbridamento e irrigação para preservar a prótese, desbridamento e irrigação para substituir a prótese (revisão fase I), desbridamento e irrigação para remover a prótese original e colocar um espaçador cimentado com antibióticos, e reinserção da prótese uma vez que a infecção seja controlada (revisão fase II).
As infecções crónicas podem ser revisitadas em uma ou duas fases. O desbridamento simples e a irrigação com retenção da prótese tem uma taxa de falha muito elevada na gestão de infecções peri-protéticas crónicas.
A grande variação dos resultados na literatura para as infecções peripróticas agudas tratadas com desbridamento e retenção da prótese pode ser explicada, até certo ponto, pela presença de biofilme. Se o biofilme não for completamente removido da área infectada, então qualquer abordagem cirúrgica acabará por falhar.
O desbridamento simples e a irrigação com retenção da prótese podem ser bem sucedidos se a cirurgia for realizada a tempo antes de o biofilme se formar na superfície da prótese, ou se o biofilme for adequadamente removido durante a cirurgia. Em casos de infecção crónica, pode ser necessário um desbridamento intra-operatório mais completo para remover qualquer biofilme que se tenha formado no tecido ósseo que envolve a prótese.
Embora a segunda fase de revisão seja considerada mais fiável, se o biofilme não for completamente removido da lesão, uma eventual falha é inevitável. A essência tanto da segunda fase de revisão como da primeira fase é remover todo o biofilme do componente protético, incluindo a sua superfície, para que o biofilme possa ser removido do tecido que envolve a lesão.
Futuras direcções de investigação
Os objectivos futuros da investigação incluem a elucidação dos processos subjacentes à infecção bacteriana e formação do biofilme.
Claramente, o primeiro passo para prevenir a formação da infecção reside na prevenção da adesão bacteriana.
De uma perspectiva protética, medidas como o desenvolvimento de estruturas de superfície protética que não atraem a residência bacteriana e o tratamento da superfície protética com um revestimento antimicrobiano poderiam reduzir a formação de biofilme bacteriano. Embora se tenha verificado que as próteses com vancomicina covalentemente ligadas à superfície podem efectivamente inibir o crescimento do Staphylococcus aureus enquanto ainda promovem a cura óssea, isto pode também levar à resistência bacteriana ao respectivo antibiótico.
Outra abordagem consiste em tratar a superfície da prótese com um biosurfactante que adere à prótese. Algumas bactérias, como o Lactobacillus, são capazes de sintetizar complexos com dupla afinidade e podem ser utilizadas para tratar revestimentos de superfície à base de silicone. Verificou-se recentemente que o álcool de acácia, classificado como álcool derivado de citrinos, inibe a formação de biofilmes de Staphylococcus aureus na superfície de ligas de titânio. Alguns outros materiais podem não ser adequados para o tratamento de revestimento protético de superfície, mas podem ser utilizados para remover ou perturbar os biofilmes.
O bloqueio da indução de colónias entre bactérias é outro tratamento possível. Uma investigação mais aprofundada sobre os mecanismos moleculares do fenómeno da sensibilidade da população tornou mais viável a perturbação do tráfego de informação entre bactérias. Alguns investigadores descobriram que a utilização de peptídeos inibidores do ácido ribonucleico III é eficaz na prevenção de infecções associadas aos enxertos causadas por uma variedade de bactérias Staphylococcus spp., incluindo estirpes resistentes à meticilina. O objectivo final desta pesquisa é encontrar inibidores semelhantes que possam atravessar activamente múltiplas, e não específicas, paredes bacterianas.
A investigação está também centrada no desenvolvimento de vacinas contra bactérias patogénicas comuns como o Staphylococcus aureus. Vacinas que visam antigénios biofilmes específicos foram demonstradas preliminarmente em estudos com animais para tratar a osteomielite crónica de S. aureus.
A combinação de vacina e vancomicina reduziu significativamente a taxa de infecção em animais experimentais e foi mesmo eficaz contra infecções causadas por Staphylococcus aureus resistente à meticilina. O modelo também salienta a importância de distinguir entre diferentes fenótipos de bactérias: a vancomicina é utilizada para limpar a forma planctónica da bactéria, enquanto a vacina é utilizada para limpar a forma do biofilme.
Se os antigénios de bactérias específicas puderem ser isolados e os anticorpos correspondentes produzidos, pode ser encontrada uma forma eficaz de diagnóstico e tratamento de infecções de biofilme.
Conclusão
Muitos dos desafios actualmente enfrentados no diagnóstico e tratamento de infecções peri-protéticas crónicas podem ser explicados pela teoria do biofilme. Mais investigação básica ajudará a adquirir conhecimentos sobre a biologia dos biofilmes e assim ajudar a melhorar a taxa de sucesso no diagnóstico e tratamento destas infecções crónicas.
Encontrar um regime terapêutico que visa não só uma estirpe bacteriana ou fúngica específica, mas também múltiplos agentes patogénicos, continua a ser um grande desafio.