Faculdade de Ciências Médicas, Universidade NOVA de Lisboa Tese de Doutoramento Medicina 2023

SUMMARY INTRODUCTION: Osteoarticular infections (OAI) are still a challenge with significant worldwide morbidity, and often implies prolonged treatment. In Europe the incidence seems to be rising, from 2 to 22 per 100,000 population, being most common in young boys. The aetiology is changing, depending on age and geographic differences. Staphylococcus aureus predominates (36,5% to 70%), followed by Kingella kingae in younger children (14% to 82%). However, there is a paucity of high-quality evidence to guide care. The antibiotic choice and the need for surgery is still a matter of discussion, and few studies identify factors that predict complications and sequelae. Furthermore, emerging organism such as multidrug-resistant-bacteria or mycobacteria, carries diagnostic and treatment difficulties. We aim to characterize the epidemiology, diagnosis, and management of pediatric OAI in a tertiary care pediatric hospital. OBJECTIVES Primary: 1. Analyse trends in OAI aetiology and management; 2. Identify children at high risk for AOI complications and sequelae and build a risk prediction model to early recognise these children Secondary: 1. Compare clinical differences and outcomes between S. aureus, K. kingae and pathogen negative infections; 2. Compare clinical differences and outcomes in high-risk populations, such as sickle-cell disease patients or infants under three months and 3. Describe infections by indolent bacteria. METHODOLOGY Longitudinal, observational data analysis of children (< 18 years old) with OAI admitted to a tertiary care paediatric hospital from January 2008 (2003 for SA) to December 2018. Data were registered retrospectively until 2014 and prospectively after 2014. Children with previous surgery or open trauma at the infection site were excluded. A new management protocol was implemented in 2014 with introduction of molecular tests for K. kingae, collection of synovial fluid samples directly into blood culture bottles and patient evaluation by a multidisciplinary team. Clinical, microbiological and imagiological findings, treatment, complications, and sequelae were obtained. RESULTS The results are divided into 4 sections. In the first section data from acute septic arthritis cohort (2003-2018), acute osteomyelitis cohort (2008-2018) and both groups (2008-2018) were analysed. For acute septic arthritis a total of 247 children were identified, with an average annual incidence of 24.9/100,000, 57.9% males with a mean age of 4.1± 4.1 years. In the last 5 years, a 1.7-fold increase in the annual incidence, a younger age at diagnosis and an improved microbiologic yield (49% vs. 37%) was recorded. K. kingae became the most frequent bacteria (51.9%) followed by methicillin-susceptible S. aureus (19.2%). Children were treated for fewer intravenous days (10.7 vs. 13.2 days, p=0.01), had more complications (20.6% vs. 11.4%, p=0.05) but had a similar sequelae rate (2.9 vs. 4.5%, p=0.5). Older children with high inflammatory parameters were at higher risk of sequelae. The acute osteomyelitis cohort included 71 children, with an average annual incidence of 11.4/100,000, 56% male, with a median age of 3 years (IQR 1-11) and a 1.8-fold increase in the last 5 years. The causative agent was identified in 37%, namely S. aureus (58%; 4% MRSA) Streptococcus pyogenes (19%) and K. kingae (12%). Complications were identified in 45% of patients and sequelae in 3.6%. In recent years, there was an increase in myositis (30%vs 7%; P = .02), septic arthritis (68 vs 37.2%; p = 0.012) and in the proportion of patients treated for less than 4 weeks (37 vs 3.5%; p = 0.012), with similar sequelae rates. Pathogen identification was associated to complications. To identify children at high risk for acute OAI complications and sequelae, we analysed 240 patients, 17,5% with an acute complicated course (ACC), 6.0% and 3,6% with sequelae at 6 months and at 12 months follow-up, respectively. We developed two multivariable logistic predictive models for ACC and sequelae. The predictors were fever at admission (adjusted odds ratio [aOR] 2.98; 95% CI 1.10 to 8.12), CRP ≥100mg/L (aOR 2.37; 95% CI 1.05 to 5.35), osteomyelitis (aOR 4.39; 95% CI 2.04 to 9.46) and S. aureus infection (aOR 3.50; 95% CI 1.39 to 8.77) for ACC, with an AUC of 0.831 (95% CI 0.767-0.895). For sequelae at 6 month-follow-up the predictors were age above 4 years (aOR 4.08; 95%CI 1.00 to 16.53), CRP ≥110mg/L (aOR 4.59; 95%CI 1.25 to 16.90), disseminated disease (aOR 9.21; 95% CI 1.82 to 46.73) and bone abscess (aOR 5.46; 95% CI 1.23-24.21), with an AUC of 0.887 (95%CI 0.815-0.959). In the second section we intent to distinguish K. kingae from pyogenic infection. A total of 58 cases of K. kingae osteoarticular infections (2013-2020) were identified, all in children under 5 years. The diagnosis was septic arthritis (82.8%), osteomyelitis (22,4%, both 10.3%) and spondylodiscitis (3.4%). Eight (13,8%) had tenosynovitis and 10 (17.2%) subacute osteomyelitis. Analysing pathogen positive acute septic arthritis in children under 5 years, age ≥ 6 months and ≤ 2 years, apyrexia, and PCR<100mg/L was able to distinguish K. kingae from typical pathogens, with an overall predictive positive value of 86.5%, 88.4% for K. kingae, with an AUC assessed by ROC curves of 0.861 (95% CI 0.767-0955). In the third section data from special and immunosuppressed populations are analysed. First data (2010-2018) from fifteen patients with OAI out of 165 (9.1%) patients with Sickle Cell Disease were reviewed. All were of African origin, with a median age of 8 years (IQR 2-11) and 53,3% females. All had osteomyelitis and 10 (66.7%) concomitant septic arthritis. A pathogen was identified in 7 (41%), of which 5 (71.4%) were gram-negative multidrug-resistant bacteria. Complications were superior to healthy children, and even higher in multidrug-resistant bacterial infections, with higher progression to functional impairment (83%). Second data from (2008-2018) 24 of 262 (9.2 %) children with OAI ≤ 3 months were identified, 54% males, with a median age of 28 days (IQR 13,5-60,0). Nine (37.5%) had health care associated infections and the causative pathogen was identified in 21 (87.5%), mainly S. aureus (57.1%, of which 41.5% MRSA) and Group B streptococcus (23.8%). Children ≤ 3 months had more often complications (54.2% vs 20%, P<0,0001) and sequelae (17.4% vs 3.2%, P<0,0001) when compared to older children. In the fourth section uncommon, indolent bacterial infections are presented Eighteen cases of bone and joint Tuberculosis (TB), 13 (72.2%) with spinal TB and 9 (50%) with extra-spinal TB. All completed anti-tuberculous drugs for a median of 12 months (IQR12-13) and 9 (50%) were submitted to surgery, with 50% sequelae. Additionally, other unusual and atypical bacteria were reported, particularly Bartonella henselae, Coxiella burnetti, Brucella melitensis and Corynebacterium diphtheriae.CONCLUSIONS In our study, acute septic arthritis is increasing, similar to recent data from other European countries. It is probable that K. kingae, now the most common causative organism might account for these differences. In acute osteomyelitis S. aureus still leads, although the high percentage of microbiologically negative in children under 4 years, might result in farther K. kingae detection in future. There was a trend for shorter treatment durations, especially in septic arthritis, although there is still a way for improvement. Reviewing all acute OAI, OAI in younger children with low inflammatory patterns, after exclusion of S. aureus infection, bone involvement or disseminated disease, should be treated less aggressively. K. kingae usually affects children between 6 to 48 months, usually with a mild septic arthritis, but other presentations include: tenosynovitis, which can be treated for 10-21 days of antibiotics with no need for surgery; subacute osteomyelitis, and primary epiphyseal osteomyelitis, that were unexpected but had a good outcome. Age ≥6 months and ≤2 years, apyrexia and CRP<100mg/L were able to predict K. kingae infection in children under 5 years with septic arthritis. Sickle- cell Disease patients have difficult to treat infections, especially those caused by gram negative multidrug-resistant bacteria. Infants up to 3 months had more often health care associated infections, multifocal, complicated infections, and sequelae. Atypical infections, such as Tuberculosis, are difficult to diagnose due to unspecific and paucibacillary nature in children. However, sequelae can be severe and earlier diagnosis is essential. International Guidelines for osteoarticular TB propose shorter treatment courses than the Portuguese guidelines, which can be reduced. Other atypical, difficult to diagnose OAI, such as Bartonella henselae or Coxiella burnetti, carry diagnostic and treatment challenges, with controversial treatment regimens. This work, although single centre, partially retrospective, provides for the first-time insight of the OAI in Portuguese children. Much has changed since the beginning, and we are now able to identify different patterns of infection, predictors of worse prognosis and to distinguish K. kingae infections from other pyogenic infections. Children with OAI represent a whole disease spectrum, from mild to severe, simple to complex and focal to systemic, and know we are able to stratify management.

RESUMO INTRODUÇÃO As infeções osteoarticulares (IOA) são um desafio com uma morbilidade significativa, implicando frequentemente um tratamento prolongado. Na Europa, a incidência parece estar a aumentar, variando entre 2- 22 por 100.000 habitantes, sendo mais frequente nos rapazes. A etiologia está a mudar, dependendo da idade e diferenças geográficas. Predomina Staphylococcus aureus (36,5% a 70%), seguido por Kingella kingae em crianças mais novas (14% a 82%). A escolha do antibiótico e a necessidade de cirurgia não é consensual, e poucos estudos identificam fatores de risco para complicações e sequelas. Além disso, microrganismos emergentes, como bactérias multirresistentes ou microrganismos insidiosos, como as micobactérias, representam dificuldades de diagnóstico e tratamento. OBJECTIVOS Primários: 1. Analisar mudanças na etiologia e abordagem das IOA; 2. Identificar crianças com IOA e risco elevado para complicações e sequelas e construir um modelo preditivo de risco para reconhecer precocemente estas crianças Secundário: 1. Comparar diferenças clínicas e de prognóstico entre infeções por S. aureus, K. kingae e infeções sem identificação de agente; 2. Comparar as diferenças clínicas e de prognóstico em populações vulneráveis, tais como doença de células falciformes ou lactentes ≤ 3 meses e 3. Descrever infeções por bactérias indolentes. METODOLOGIA Estudo longitudinal, observacional de crianças (< 18 anos) com IOA internadas num hospital pediátrico terciário, de janeiro de 2008 (2003 para artrite sética) a dezembro de 2018. Os dados foram registados retrospetivamente até 2014 e prospectivamente após 2014. Crianças com cirurgia anterior ou ferida exposta no local da infeção foram excluídas. Foi implementado um protocolo em 2014 com a introdução de testes moleculares para K. kingae, recolha de fluido sinovial diretamente para garrafas de hemocultura e avaliação do doente por uma equipa multidisciplinar. Foram obtidos resultados clínicos, microbiológicos e imagiológicos, tratamento, complicações e sequelas. RESULTADOS Os resultados foram divididos em 4 secções. Na primeira secção foram analisados dados da coorte de artrite séptica aguda (2003-2018), osteomielite aguda (2008-2018) e ambos os grupos (2008-2018). Para a artrite séptica aguda foram identificadas 247 crianças, com uma incidência média anual de 24,9/100.000, 57,9% rapazes com uma idade média de 4,1 ±4,1 anos. Nos últimos 5 anos, registou-se um aumento de 1,7 vezes na incidência anual, afetando crianças mais novas e com um melhor rendimento microbiológico (49% vs. 37%). K. kingae tornou-se a bactéria mais frequente (51,9%), seguida por MSSA (19,2%). A duração da terapêutica intravenosa foi menor (10,7 vs. 13,2 dias, p=0,01), apesar de mais complicações (20,6% vs. 11,4%, p=0,05), embora com um número de sequelas semelhante (2,9 vs. 4,5%, p=0,5). As crianças mais velhas, com parâmetros inflamatórios mais elevados, estavam associadas a maior risco de sequelas. A coorte de osteomielite aguda incluiu 71 crianças, com uma incidência média anual de 11,4/100.000, 56% masculino, com uma idade mediana de 3 anos (IQR 1-11) e um aumento de 1,8 vezes nos últimos 5 anos. O agente foi identificado em 37%, nomeadamente S. aureus (58%; 4% MRSA), Streptococcus pyogenes (19%) e K. kingae (12%). Foram identificadas complicações em 45% e sequelas em 3,6%. Nos últimos anos, registou-se um aumento de miosite (30%vs 7%; P = .02), artrite séptica (68 vs 37,2%; p = 0,012) e na proporção de doentes tratados menos de 4 semanas (37 vs 3,5%; p = 0,012), com taxas de sequela semelhantes. A identificação do agente etiológico estava associada a complicações. Para identificar crianças com risco elevado de complicações e sequelas agudas de IOA, analisámos 240 doentes, 17,5% com um curso agudo complicado (CCA), 6.0% e 3,6% com sequelas aos 6 meses e 12 meses de seguimento, respetivamente. Utilizamos dois modelos de regressão logística multivariada para previsão do risco de ACC e sequelas. A febre à admissão (OR 2.98; 95% CI 1.10 to 8.12), PCR ≥100mg/L (OR 2.37; 95% CI 1.05 to 5.35), osteomielite (OR 4.39; 95% CI 2.04 to 9.46) e infeção por S. aureus (OR 3.50; 95% CI 1.39 to 8.77) foi preditor de ACC, com valores de AUC de 0,831 (95% CI 0,767-0,895). A idade ≥ 4 anos (OR 4.08; 95%CI 1.00 to16.53), PCR ≥110mg/L (OR 4.59; 95%CI 1.25 to 16.90), doença disseminada (Odds 9.21; 95% CI 1.82 to 46.73) e abcesso ósseo (OR 5.46; 95% CI 1.23-24.21) foi preditor de sequelas, com valores de AUC de 0,887 (95%CI 0,815-0,959). Na segunda secção pretendemos distinguir K. kingae da infeção piogénica. Foram identificados 58 casos de IOA por K. kingae (2013-2020), todos em crianças com menos de 5 anos. O diagnóstico foi artrite séptica (82,8%), osteomielite (22,4%, ambos 10,3%) e espondilodiscite (3,4%). Oito (13,8%) tinham tenosinovite e 10 (17,2%) osteomielite subaguda. Da análise de uma coorte de crianças com menos de 5 anos com artrite séptica aguda e agente etiológico identificado, a idade ≥ 6 meses e ≤ 2 anos, apirexia, e PCR<100mg/L foi capaz de distinguir K. kingae de outros agentes patogénicos típicos, com um valor positivo preditivo de 86,5%, 88,4% para K. kingae, com um AUC avaliado por curvas ROC de 0,861 (95% CI 0.7 67-09 55). Na terceira secção foram analisadas populações especiais e imunodeprimidas. Primeiro, foram revistos (2010-2018) quinze doentes com IOA de uma coorte de 165 (9,1%) doentes com Doença da Célula Falciforme. Todos eram de origem africana, com uma idade média de 8 anos (IQR 2-11) e 53,3% raparigas. Todos tinham osteomielite e 10 (66,7%) artrite séptica concomitante. Foi identificado um agente patogénico em 7 (41%), dos quais 5 (71,4%) eram bactérias multirresistentes gram-negativas. As complicações foram superiores às crianças saudáveis, sobretudo nas infeções bacterianas multirresistentes, com maior número de sequelas (83%). Foram ainda identificados 24 de 262 (9,2 %) crianças com OAI ≤ 3 meses (2008-2018), 54% rapazes, com uma idade mediana de 28 dias (IQR 13,5-60,0). Nove (37,5%) tinham infeções associadas aos cuidados de saúde e o microrganismo foi identificado em 21 (87,5%), nomeadamente S. aureus (57,1%, dos quais 41,5% MRSA) e estreptococos do Grupo B (23,8%). Os lactentes ≤ 3 meses tiveram mais frequentemente complicações (54,2% vs 20%, P<0.0001) e sequelas (17,4% vs 3,2%, P<0<0.0001) quando comparadas com as crianças mais velhas. Na quarta secção, são apresentadas infeções bacterianas indolentes Dezoito casos de tuberculose (TB) óssea e articular, 13 (72,2%) TB vertebral e 9 (50%) com TB extra-vertebral. A mediana de duração da terapêutica antibacilar foi de 12 meses (IQR12-13) e 9 (50%) foram submetidos a cirurgia, com 50% de sequelas. Adicionalmente, foram reportadas IOA por outras bactérias raras e atípicas, nomeadamente Bartonella henselae (2010-2019), Coxiella burnetti, Brucella melitensis e por Corynebacterium diphtheriae.CONCLUSÕES No nosso estudo, a artrite séptica aguda aumentou, à semelhança de outros países europeus. É provável que K. kingae, agora o agente etiológico mais frequente, possa explicar estas diferenças. Na osteomielite aguda S. aureus predominou. A elevada percentagem de infeções sem agente identificado em crianças com menos de 4 anos, antecipa uma maior deteção de K. kingae no futuro. Verificou-se uma tendência para esquemas de tratamento mais curtos, especialmente na artrite séptica, embora se possa melhorar. A revisão das IOA agudas, mostrou que crianças <4 anos, com PCR <100mg/L, com abcesso ósseo ou doença disseminada, possam ser tratados de forma menos agressiva. K. kingae afetou sobretudo crianças dos 6 aos 48 meses, com formas ligeiras de artrite séptica. Outras apresentações encontradas: tenosinovite, que pode ser tratada com esquemas mais curtos (10 a 21 dias), sem necessidade de cirurgia; osteomielite subaguda, e osteomielite epifisária primária, formas inesperadas, mas que tiveram uma boa evolução. Idade ≥6 meses e ≤2 anos, a apirexia e CRP<100mg/L foram preditivos de infeção por K. kingae em crianças com menos de 5 anos e artrite séptica. Os doentes com doença de células falciformes tiveram infeções difíceis de tratar, especialmente as por bactérias gram-negativas multirresistentes. Os lactentes ≤3 meses tiveram mais frequentemente infeções associadas aos cuidados de saúde, multifocais, complicadas e com sequelas. As infeções atípicas, como a TB osteoarticular, são difíceis de diagnosticar devido à natureza não específica e paucibacilar da TB nas crianças. No entanto, as sequelas podem ser graves e o diagnóstico precoce é essencial. Os esquemas de tratamento preconizados (6 meses) são em geral mais curtos que o recomendado pelas orientações portuguesas (12 meses), e podem ser reduzidos. Outros agentes atípicos, como Bartonella henselae ou Coxiella burnetti, difíceis de diagnosticar, levantam desafios de diagnóstico e tratamento, com esquemas controversos. Este trabalho, embora unicêntrico, parcialmente retrospetivo, mostra pela primeira vez o panorama das IOA em crianças portuguesas. Muito mudou desde o início, e agora conseguimos identificar diferentes padrões de infeção, preditores de prognóstico e infeções por outros agentes. As crianças com IOA representam um espectro, desde doença ligeira a grave, simples a complexas, focal e até sistémica. A abordagem das IOA passou a ser estratificada