Universität zu Köln

Zeißler, Eva-Carina (2023). The potential of cytokines as diagnostic markers for vertebral osteomyelitis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The aim of this study was to improve the diagnostic options for vertebral osteomyelitis (VO). The disease VO describes an infectious condition of the spine starting in the bone marrow of the vertebral bodies, which then expands to the intervertebral discs. A diagnosis in the initial course of a VO is often not accurate because there is a lack of specific and minimally-invasive diagnostic methods for an early and reliable detection of VO cases. Only with an advanced status of the disease presenting with irreversible tissue damage, medical imaging shows to be a successful diagnostic method. The present laboratory parameters such as CRP, ESR, and leucocytes are not specific, and blood cultures do not always detect the pathogen successfully. In spite of diagnostic delays that act to the disadvantage of the patients outcome, this study presents the potential application of cytokines for diagnosing VO. Cytokines play an essential role in inflammation by modulation of immune responses, and their concentration is often increased in various infectious diseases. Cytokines as biomarkers may be easily implemented and represent a minimally-invasive method for an early diagnosis. Accordingly, the aim of this study was to determine if cytokines can discriminate between VO patients, who present with an infection of the spine and the diagnosis of osteochondrosis intervertebralis, which presents without an infection of the spine. The hypothesis of this study was that a selection of cytokines are sensitive and specific diagnostic biomarkers to distinguish infectious from non-infectious diseases of the spine. In total, 36 patients were included in this single-center case-control study. The patient group included 16 patients with the diagnosis of VO and 20 patients with the diagnosis of osteochondrosis intervertebralis who functioned as the control group. The exclusion criteria included other infections external to the spine, malignancies, and autoimmune diseases. All included patients underwent a partial operative stabilization of the spine, which was carried out at the Department of Orthopedic and Trauma Surgery of the University Hospital Cologne. In this study, the levels of 27 cytokines and CRP were measured at different timepoints throughout the course of the diseases to investigate the use for diagnosis of VO. During the hospital stay and follow-up, blood samples were drawn once before surgery (-20-0d pre-OP) and four times after surgery (3-5d post-OP, 6-11d post-OP, 40-56d post-OP, and 63-142d post-OP). The measurement of the cytokines was done using a multiplex assay. For the statistics, p-values were used to show the significance of the effects, and ROC curves with AUCs were used to investigate the predictive potential. Also, influences on the cytokine levels, specifically on the type of pathogen causing VO, were examined. The cytokines IL-6, IL-8, IL-12 (p70), and VEGF showed to have the strongest potential for diagnosing VO. Compared to the control group without infection of the spine, these cytokines and also CRP showed an AUC above 0.85 at the pre-OP timepoint. IL-6 scored the highest AUC of 0.98 followed by CRP with an AUC of 0.92. Especially, the combination of all candidate cytokines scored the highest predictive potential for diagnosing VO (AUC: 0.99). Considering the pathogen causing VO, the diagnostic potential of cytokines decreased in patients with low-virulent pathogens. Only the discrimination between VO patients with high-virulent bacteria and patients with osteochondrosis intervertebralis is reliable. Additionally, considering the follow-up measurements, the results implicate that IL-6 and IL-12 (p70) are suitable to monitor the therapeutical success. In conclusion, this study showed that the cytokines IL-6, IL-8, IL-12 (p70), and VEGF can be used as biomarkers to detect VO and that further research would be of great advantage.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Das Potential von Zytokinen als diagnostisches Mittel für die Vertebrale Osteomyelitis English
Translated abstract:	Abstract Language Thema dieser Arbeit ist die Verbesserung der Diagnosemöglichkeiten einer vertebralen Osteomyelitis (VO). Eine VO wird durch einen Zustand der Wirbelsäule charakterisiert, der mit einer Infektion im Knochenmark der Wirbelkörper beginnt, welche sich dann zu den Bandscheiben ausbreitet. Die Diagnose in der initialen Erkrankungsphase ist oftmals nicht akkurat, denn es besteht ein Mangel an spezifischen und minimal-invasiven diagnostischen Mitteln. Die medizinische Bildgebung ermöglicht erst dann eine Diagnose, wenn die Erkrankung ein fortgeschrittenes Stadium erreicht hat und bereits irreversible Schäden vorhanden sind. Auch verfügbare Laborparameter, wie zum Beispiel CRP, ESR und Leukozyten sind unspezifisch und Blutkulturen sind oftmals negativ. Diese Bedingungen verkompliziert eine frühzeitige Diagnosestellung. Diagnostische Verzögerungen wirken sich aber regelmäßig zum Nachteil für Patienten aus. In dieser Studie wird das diagnostische Potenzial von Zytokinen untersucht. Zytokine spielen eine bedeutende Rolle bei immunologischen Reaktionen in Entzündungsprozessen und bei infektiösen Erkrankungen werden häufig hohe Zytokinkonzentrationen gemessen. Es ist entsprechend das Ziel dieser Studie herauszufinden, ob man mit der Hilfe von Zytokinen zwischen einer VO, die sich mit einer entzündeten Wirbelsäule präsentiert und einer Osteochondrosis intervertebalis, die sich ohne Entzündung präsentiert, unterscheiden kann. Zytokine als Biomarker bieten das Potenzial für ein einfaches und minimal-invasives diagnostisches Mittel, welches eine frühzeitige Diagnose einer VO ermöglicht. Die Arbeitshypothese dieser Studie umfasst die Annahme, dass eine Auswahl an Zytokinen als spezifischer und sensitiver Laborparameter eingesetzt werden kann, um zwischen einer infektiösen und einer nicht-infektiösen Wirbelsäulenerkrankung zu unterscheiden. Die Studie wurde in der Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie der Uniklinik Köln als monozentrische Fall-Kontroll-Studie durchgeführt. Insgesamt waren 36 Patienten an der Studie beteiligt. Davon gehörten 16 Patienten zu der VO-Gruppe und 20 Patienten litten an einer Osteochondrosis intervertebralis. Die Patientengruppe mit Osteochondrosis intervertebralis diente dabei als Kontrollgruppe. Zu den Ausschlusskriterien zählten andere Infektionen, Krebs und Autoimmunerkrankungen. Bei allen Patienten wurde eine stabilisierende Operation der Wirbelsäule vorgenommen. In diesem Zusammenhang wurden 27 Zytokine und CRP zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Krankheitsverlauf gemessen: einmal vor der Operation (-20-0 Tage prä-OP) und viermal nach der Operation (3-5, 6-11, 40-56 und 63-142 Tage post-OP). Die Zytokinkonzentrationen wurden mittels eines Multiplex-Assays gemessen. Zytokin- und CRP-Konzentrationen wurden statistisch analysiert. Hier zeigten P-Werte die Signifikanz und ROC-Kurven mit den AUCs das Potenzial, die Diagnose VO vorherzusagen. Zusätzlich wurden die Zytokinkonzentrationen unter dem Einfluss von hoch- und niedrig-virulenten VO Erregern analysiert. Die Zytokine IL-6, IL-8, IL-12 (p70) und VEGF zeigten das größte Potenzial, um VO zu diagnostizieren. Im Vergleich zu der Kontrollgruppe zeigten diese Zytokine sowie CRP einen AUC über 0.85 zum Zeitpunkt vor der Operation. IL-6 erzielte den höchsten Wert (AUC: 0.98), gefolgt von CRP (AUC: 0.92). Insbesondere die Kombination aus allen signifikanten Zytokinen zeigte das höchste Potenzial, die Diagnose VO vorherzusagen (AUC: 0.99). Eine Verschlechterung des diagnostischen Potenzials zeigte sich bei der Differenzierung unterschiedlicher Krankheitserreger: VO Patienten mit schwach virulente Erregern wurden weniger zuverlässig diagnostiziert. Allein die Unterscheidung zwischen VO Patienten mit hoch virulenten Erregern und Patienten mit Osteochondrosis intervertebalis war verlässlich. Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass sich IL-6, IL-8, IL-12 (p70) und VEGF als Biomarker für eine VO eignen. Darüber hinaus belegten die Ergebnisse der post-operativen Werte, dass IL-6 und IL-12 (p70) geeignete Parameter für die Überwachung des Therapieerfolgs sind. Insgesamt ergibt sich hier ein guter Ausgangspunkt für weitere Forschung. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Zeißler, Eva-Carina zeissler.eva@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-720427
Date:	2023
Language:	English
Faculty:	Faculty of Medicine
Divisions:	Zentrum für Molekulare Medizin
Subjects:	Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language VERTEBRAL OSTEOMYELITIS English SPONDYLODISCITIS English SPINAL INFECTION English LOW-BACK-PAIN English PROINFLAMMATORY CYTOKINE English CYTOKINES English UNSPECIFIED English
Date of oral exam:	11 December 2023
Referee:	Name Academic Title Mahabir-Brenner, Esther Prof. Dr. Rausch, Valentin Dr. med.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/72042