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Standard versus biofilm antimicrobial susceptibility testing to guide antibiotic therapy in cystic fibrosis

  • Review
  • Intervention

Authors

  • Valerie Waters,

    Corresponding author
    1. Hospital for Sick Children, Department of Pediatrics, Division of Infectious Diseases, Toronto, Ontario, Canada
    • Valerie Waters, Department of Pediatrics, Division of Infectious Diseases, Hospital for Sick Children, 555 University Avenue, Toronto, Ontario, M5G 1X8, Canada. valerie.waters@sickkids.ca.

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  • Felix Ratjen

    1. The Hospital for Sick Children, Department of Pediatrics, Toronto, Ontario, Canada
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Abstract

Background

The antibiotics used to treat pulmonary infections in people with cystic fibrosis are typically chosen based on the results of antimicrobial susceptibility testing performed on bacteria traditionally grown in a planktonic mode (grown in a liquid). However, there is considerable evidence to suggest that Pseudomonas aeruginosa actually grows in a biofilm (or slime layer) in the airways of cystic fibrosis patients with chronic pulmonary infections. Therefore, choosing antibiotics based on biofilm rather than conventional antimicrobial susceptibility testing could potentially improve response to treatment of Pseudomonas aeruginosa in people with cystic fibrosis.

Objectives

To compare biofilm antimicrobial susceptibility testing-driven therapy to conventional antimicrobial susceptibility testing-driven therapy in the treatment of Pseudomonas aeruginosa infection in people with cystic fibrosis.

Search methods

We searched the Cochrane Cystic Fibrosis Trials Register, compiled from electronic database searches and handsearching of journals and conference abstract books. We also searched a registry of ongoing trials and the reference lists of relevant articles and reviews.

Most recent search: 02 August 2012.

Selection criteria

Randomized controlled trials of antibiotic therapy based on biofilm antimicrobial susceptibility testing compared to antibiotic therapy based on conventional antimicrobial susceptibility testing in the treatment of Pseudomonas aeruginosa pulmonary infection in individuals with cystic fibrosis.

Data collection and analysis

Both authors independently selected trials, assessed their risk of bias and extracted data from eligible trials. Additionally, the authors contacted the trial investigators to obtain further information.

Main results

The search identified one multicentre, randomized, double-blind controlled clinical trial eligible for inclusion in the review (39 participants). This trial prospectively assessed whether the use of biofilm antimicrobial susceptibility testing improved microbiological and clinical outcomes in participants with cystic fibrosis who were infected with Pseudomonas aeruginosa. The primary outcome was the change in sputum Pseudomonas aeruginosa density from the beginning to the end of antibiotic therapy. The mean (standard deviation) change in density in log10 colony forming units per gram was -2.94 (2.83) in the biofilm group and -3.27 (3.09) in the control group, for a mean difference of 0.28 (95% confidence interval -1.98 to 2.54) (P = 0.8). The data did not provide evidence that biofilm susceptibility testing was superior to conventional susceptibility testing.

Authors' conclusions

The current evidence is insufficient to recommend choosing antibiotics based on biofilm antimicrobial susceptibility testing rather than conventional antimicrobial susceptibility testing in the treatment of Pseudomonas aeruginosa pulmonary infections in people with cystic fibrosis. Future randomized clinical trials on this topic may shed further light on this question.

Résumé scientifique

Tests de susceptibilité antimicrobienne sur biofilms contre tests standard pour orienter le traitement antibiotique de la mucoviscidose

Contexte

Les antibiotiques utilisés pour traiter les infections pulmonaires chez les personnes atteintes de mucoviscidose sont généralement choisis en se fondant sur les résultats des tests de susceptibilité antimicrobienne réalisés sur des bactéries habituellement cultivées en mode planctonique (milieu liquide). Toutefois, il existe des données considérables suggérant que le Pseudomonas aeruginosa se développe en fait dans un biofilm (ou film biologique) dans les voies aériennes des patients atteints de mucoviscidose avec infections pulmonaires chroniques. Par conséquent, le choix des antibiotiques fondé sur un biofilm, plutôt que sur les tests de susceptibilité antimicrobienne conventionnels, pourrait améliorer la réponse au traitement du Pseudomonas aeruginosa chez les personnes atteintes de mucoviscidose.

Objectifs

Comparer le traitement basé sur les tests de susceptibilité antimicrobienne sur biofilm avec le traitement basé sur les tests de susceptibilité antimicrobienne conventionnels dans le traitement des infections dues au Pseudomonas aeruginosa chez les personnes atteintes de mucoviscidose.

Stratégie de recherche documentaire

Nous avons effectué des recherches dans le registre des essais du groupe Cochrane sur la mucoviscidose et les autres maladies génétiques, réalisé une compilation à partir de recherches réalisées dans des bases de données électroniques. Nous avons également effectué des recherches manuelles dans des journaux et actes de conférence. Nous avons également effectué des recherches dans un registre des essais en cours et dans les listes bibliographiques des articles et revues pertinents.

Date des recherches les plus récentes : 2 août 2012.

Critères de sélection

Essais contrôlés randomisés comparant les traitements antibiotiques fondés sur des tests de sensibilité antimicrobienne sur biofilm et les traitements antibiotiques fondés sur des tests de sensibilité antimicrobienne conventionnels dans le traitement des infections pulmonaires due au Pseudomonas aeruginosa chez les personnes atteintes de mucoviscidose.

Recueil et analyse des données

Les deux auteurs ont sélectionné les essais, évalué les risques de biais et extrait les données des essais admissibles de manière indépendante. De plus, les auteurs ont contacté les chercheurs des essais afin d'obtenir des informations supplémentaires.

Résultats principaux

La recherche a permis d'identifier un essai clinique randomisé contrôlé, multicentrique et en double aveugle pouvant être inclus dans la revue (39 participants). Cet essai évaluait de manière prospective si l'utilisation de tests de susceptibilité antimicrobienne sur biofilm permettait d'améliorer les résultats cliniques et microbiologiques chez les participants atteints de mucoviscidose et infectés par le Pseudomonas aeruginosa. Le principal critère de jugement était le changement de densité du Pseudomonas aeruginosa contenu dans les expectorations entre le début et la fin du traitement antibiotique. Le changement moyen (écart type) dans la densité en log10unités formant colonie par gramme s'élevait à -2,94 (2,83) dans le groupe du biofilm et -3,27 (3,09) dans le groupe témoin, pour une différence moyenne de 0,28 (intervalle de confiance à 95 % : -1,98 à 2,54) (P = 0,8). Les données n'ont pas fourni de preuves indiquant que les tests de sensibilité sur biofilm étaient supérieurs aux tests de sensibilité conventionnels.

Conclusions des auteurs

Les données actuelles sont insuffisantes pour recommander de choisir les antibiotiques en se fondant sur des tests de susceptibilité antimicrobienne sur biofilm, plutôt que sur des tests de susceptibilité antimicrobienne conventionnels, dans le traitement des infections pulmonaires dues au Pseudomonas aeruginosa chez les personnes atteintes de mucoviscidose. De futurs essais cliniques randomisés sur ce sujet permettront peut-être d'éclaircir cette question.

Plain language summary

Standard versus biofilm antibiotic testing to guide antibiotic treatment in cystic fibrosis

The main cause of death in people with cystic fibrosis is due to chronic lung infection. Antibiotic treatments have helped people with cystic fibrosis live longer lives. Antibiotics are typically chosen based on testing them against bacteria (bugs) grown in liquid in the laboratory. However, bacteria such as Pseudomonas aeruginosa, do not grow in liquid in the lungs of people with cystic fibrosis, but rather in a slime layer called a biofilm. Laboratory testing of antibiotics against Pseudomonas aeruginosa grown in a biofilm rather than in liquid may provide results that lead to better antibiotic choices with better clinical outcomes in the treatment of pulmonary infections in people with cystic fibrosis. 

We were able to include one trial in this review. It was a multicentre, randomized, double-blind controlled clinical trial with 39 participants; 20 in the biofilm group and 19 in the conventional group. The trial looked at whether using the results of testing antibiotics against Pseudomonas aeruginosa grown as a biofilm rather than in liquid improved outcomes in people with cystic fibrosis with lung infections. The main outcome was the decrease in the amount of bacteria in the sputum of each participant, before and after antibiotic treatment, in each group. There was no difference in the reduction of sputum bacteria or in the improvement in lung function between the two groups. The intervention was equally safe in both groups.   

The trial was limited by the small number of participants and the fact that antibiotics were given when the patients were well, which is not what is usually done in clinical practice. However, the trial showed that choosing antibiotics to treat people with cystic fibrosis based on biofilm testing is a safe intervention. Further clinical trials on this topic are needed to address some of these current limitations.

Résumé simplifié

Tests antibiotiques sur biofilms contre tests standard pour orienter le traitement antibiotique de la mucoviscidose

La principale cause de décès chez les personnes atteintes de mucoviscidose est liée à une infection pulmonaire chronique. Les traitements antibiotiques permettent à ces personnes de vivre plus longtemps. Les antibiotiques sont généralement choisis après avoir été testés sur des bactéries cultivées en milieu liquide en laboratoire. Toutefois, certaines bactéries, comme le Pseudomonas aeruginosa, ne se développent pas dans le liquide des poumons des personnes atteintes de mucoviscidose, mais plutôt dans un film biologique appelé « biofilm ». Le test en laboratoire d'antibiotiques sur le Pseudomonas aeruginosa cultivé dans un biofilm plutôt qu'en milieu liquide peut fournir des résultats qui permettront de mieux orienter le choix de l'antibiotique, et donc d'améliorer les résultats cliniques dans le traitement des infections pulmonaires chez les personnes atteintes de mucoviscidose.

Nous n'avons pu inclure qu'un seul essai dans cette revue. Il s'agissait d'un essai clinique randomisé contrôlé, multicentrique et en double aveugle, impliquant 39 participants (20 dans le groupe du biofilm et 19 dans le groupe conventionnel). Cet essai visait à déterminer si l'utilisation des résultats du test d'antibiotiques sur le Pseudomonas aeruginosa cultivé en tant que biofilm plutôt qu'en milieu liquide améliorait les résultats chez les personnes atteintes de mucoviscidose avec infections pulmonaires. Le principal critère de jugement était la diminution de la quantité de bactéries dans les expectorations de chaque participant, avant et après le traitement antibiotique, dans chaque groupe. Aucune différence n'a été constatée dans la réduction des bactéries contenues dans les expectorations ni dans l'amélioration de la fonction pulmonaire entre les deux groupes. L'intervention était aussi sure dans les deux groupes.   

L'essai était limité par le petit nombre de participants et le fait que les antibiotiques étaient administrés alors que les patients se portaient bien, ce qui n'est généralement pas le cas dans la pratique clinique. Toutefois, l'essai a montré que le choix des antibiotiques après test sur biofilm est une intervention sure pour les personnes atteintes de mucoviscidose. Des essais cliniques complémentaires sur le sujet sont nécessaires pour résoudre certaines des limites actuelles.

Notes de traduction

Traduit par: French Cochrane Centre 11th October, 2013
Traduction financée par: Minist�re des Affaires sociales et de la Sant�