Integrierte mikrofluidische Systeme zur Diagnose periprothetischer Gelenkinfektionen

Die Diagnose einer periprothetischen Gelenkinfektion (PJI) bleibt eine große klinische Herausforderung. Die Diagnose von PJI basiert auf einer Zusammenstellung aus klinischer Beurteilung, serologischem Test aus peripherem Blut, Synovialflüssigkeitszytologie und Biomarkern, Radiographie, Mikrobiologie, histopathologischer Beurteilung von periprothetischem Gewebe und intraoperativen Befunden. Die Bedeutung der PJI-Diagnostik ergibt sich aus den nachfolgenden Behandlungsoptionen, wie Prothesenentfernung, Debridement und Prothesenretention und dem Zeitpunkt der Reimplantation.

Derzeit hat das Second International Consensus Meeting (ICM) seine Kriterien für die Diagnose von PJI bekannt gegeben. Die präoperative Diagnose umfasst serologische Tests (C-reaktives Protein, D-Dimer und Blutsenkungsgeschwindigkeit) und Synovialflüssigkeits-Biomarker (weiße Blutkörperchen und Differential, Leukozytenesterase und ⍺-Defensin). Die intraoperative Diagnose umfasst eine einzelne positive Kultur, positive Histologie und positive intraoperative Eiterung. Einige der in den ICM-Kriterien 2018 verwendeten Marker, wie z. B. ⍺-Defensin, Leukozytenesterase und C-reaktives Protein der Synovialflüssigkeit, sind jedoch nicht in jedem Krankenhaus verfügbar und können Ärzten bei der Entscheidungsfindung nicht sofort zur Verfügung stehen.

Die mikrofluidischen Technologien haben einen bemerkenswerten Einfluss auf die Entwicklung diagnostischer Werkzeuge ausgeübt, indem sie eine schnelle und kostengünstige Plattform für die Anwendung von Immunoassay-Techniken bereitgestellt haben. Das mikrofluidische System integriert die komplexen Verarbeitungsschritte der Laborprotokolle durch logische Integration und Prozessoptimierung auf einem einzigen Chip. Das Chang Gung Memorial Hospital und die National Tsing Hua University haben Voruntersuchungen durchgeführt, um die Machbarkeit ihrer mikrofluidischen Systeme zu bestätigen.

Daher wird das Projekt einen "mikrofluidischen Biomarker-Detektionschip" entwickeln, um die Konzentrationen dreier wichtiger Biomarker für PJI, darunter ⍺-Defensin, Leukozytenesterase und C-reaktives Protein, in Synovialflüssigkeiten nachzuweisen. Dies wird ein dreijähriges Projekt sein. Im 1. Jahr werden 50 Patienten, bei denen eine einseitige Revisions-Gelenkendoprothetik (RTJA) vorgesehen ist, mit der Synovialflüssigkeit gesammelt und auf einer Laborplattform getestet. Im 2. Jahr werden basierend auf Laborergebnissen 50 Patienten, die sich RTJAs unterziehen, rekrutiert, um ein mikrofluidisches Chipsystem zu entwickeln, und ihre On-Chip-Leistung wird feinabgestimmt und optimiert. Im 3. Jahr werden 50 Patienten gesammelt, die sich einer RTJA unterziehen, und die Verifizierung des mikrofluidischen Systems wird durchgeführt. Dieses System wird in PJIs-Kohorten in der ersten Phase des Debridements und der Implantatentfernung, in der Übergangsphase und in der zweiten Phase der Reimplantation validiert. Es wird erwartet, dass der Biomarker-Erkennungschip die medizinische Belastung verbessern und wichtige Informationen für die klinische Entscheidungsfindung liefern wird.