Implant-associated infections caused by Candida spp. are difficult to treat due to reduced antimicrobial susceptibility in biofilm. Antifungal susceptibility testing is important due to the increasing number of prosthetic infections caused by Candida spp. The aim of this thesis was to investigate innovative methods using calorimetry for microbial detection and antimicrobial susceptibility testing, as well as treatment activity in validated C. albicans foreign-body infection animal model (part 1). In addition, new materials with intrinsic antimicrobial activity (bioactive glass) were tested (part 2).
The first part of the thesis describes a novel real-time method for evaluation of antifungals against yeast, based on measurements of the growth-related heat production by isothermal microcalorimetry. Current methods for evaluation of antifungal agents against yeast have several limitations, especially when combinations of antifungals are investigated. We therefore evaluated the activity of fluconazole, amphotericin B and two echinocandins (caspofungin and anidulafungin) against Candida spp. by microcalorimetry. The minimal heat inhibition concentration (MHIC) was defined as the lowest concentration inhibiting ≥50% (≥90% for amphotericin B) of the heat produced at 24 and 48h for planktonic and biofilm yeast, respectively. Agreement within two-fold dilutions between MHIC and MIC was 50% for fluconazole and 100% for caspofungin, anidulafungin and amphotericin B. As determined by microcalorimetry, echinocandins (especially anidulafungin) were the most active agents against planktonic Candida. Subsequently, antimicrobial treatment strategies for infections caused by Candida albicans in-vivo were investigated. Since C. albicans had not previously been tested in this animal model, we first established an infection profile and investigated the pharmacokinetics of antifungals. In untreated animals, planktonic Candida progressively decreased in cage fluid and was cleared in 8% to 24% of cage fluids, however, Candida biofilm persisted on all cages, i.e. no spontaneous cure of cage- associated infections was observed. In accordance with in vitro experiments, echinocandins showed the highest activity against planktonic C. albicans. Against C. albicans biofilm, caspofungin showed the highest cure rate (25%), whereas cure rates of other antifungals ranged between 8% - 17%, demonstrating the difficulty of eradicating Candida biofilms on implants.
The second part of the thesis investigates the activity of bioactive glass (BAG) S53P4 (volumes 1 g and 2 g and sizes 0.5-0.8 mm and <45 µm) against Staphylococcus aureus, S. epidermidis, Escherichia coli, Enterococcus faecalis et Candida albicans by microcalorimetry. BAG is a surface-reactive glass-ceramic biomaterial which is used as implant material to repair and replace diseased or damaged bones. Besides binding chemically to the bone and being osteoconductive, this material has the property to inhibit the biofilm formation. BAG showed good activity against tested mircoorganisms, except for E. faecalis with granula 0.5-0.8 mm.
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Les infections associées aux implants causées par Candida spp. sont difficiles à traiter à cause de la faible susceptibilité du biofilm aux antifongiques. Le test de susceptibilité aux antifongiques est important vu l’augmentation des infections de prothèses dûes à Candida spp. Le but de cette thèse est d’étudier des nouvelles méthodes de détection des microorganismes par calorimétrie et de tester la susceptibilité ainsi que l’activité des antifongiques dans un modèle animal (partie 1). De plus, des nouveaux matériaux avec une activité antimicrobienne intrinsèque (bioactive glass) ont été testés (partie 2).
La première partie de la thèse décrit une nouvelle méthode d’évaluation de l’effet des antifongiques en temps réel en se basant sur la chaleur produite lors de la croissance mesurée par microcalorimètre isothermique. Les méthodes actuelles visant à évaluer l’effet des antifongiques sont limitées, surtout lorsqu’il s’agit d’évaluer l’effet des combinaisons d’antifongiques. Nous avons évalué l’activité du fluconazole, de l’amphotericin B et des echinocandines (caspofungine et anidulafungine), sur différentes souches de Candida spp. La concentration minimale d’inhibition de chaleur (CMIC) a été définie comme étant la plus petite concentration inhibant ≥50% (≥90% pour l’amphotericine B) de la chaleur produite à 24h et 48h pour la croissance planctonique et du biofilm. La concordance entre CMIC et la concentration minimale d’inhibition (CMI), avec 2 dilutions de marge, était de 50% pour fluconazole et 100% pour les echinocandines et l’amphotericin B. Comme déterminé par microcalorimétrie, les echinocandines (surtout l’anidulafungine) ont montré une meilleure activité contre la croissance planctonique de Candida. Nous avons ensuite étudié les traitements antimicrobiens contre C. albicans in vivo. Étant donné l’absence d’études avec ce modèle animal avec C. albicans, nous avons d’abord établi un profil d’infection et étudié la pharmacocinétique des antifongiques. Chez les animaux non traités, Candida planctonique a montré une décroissance progressive dans le fluide des cages, tout en restant présent sous forme de biofilm. Pas de cure spontanée des cages infectées a été observée. En accord avec les expériences in vitro, les echinocandines ont montré une meilleure activité contre
C. albicans planctonique. Contre le biofilm la caspofongine montre le plus haut taux de guérison (25%), contrairement aux autres antifongiques où le taux de guérison allait de 8% à 17%, démontrant ainsi la difficulté rencontrée dans l’éradication du biofilm à C. albicans.
La deuxième partie étudie l’activité du bioactive glass (BAG) S53P4 (volumes 1 and 2 g et diamètres de 0.5-0.8 mm et <45 µm) contre Staphylococcus aureus, S. epidermidis, Escherichia coli, Enterococcus faecalis et C. albicans. BAG est un biomatériel en vitre-céramique à surface réactive utilisé en tant qu’implant pour réparer et remplacer les os endommagés ou fracturés. En plus d’avoir la capacité de se lier chimiquement à l’os et être ostéoconductif, ce matériel a la caractéristique d’inhiber la formation du biofilm. BAG a montré une bonne activité contre les microorganismes testés à l’exception de E. faecalis avec les granules de 0.5-0.8 mm de diamètre.