骨科植入物表面細(xì)菌生物膜感染的預(yù)防和治療進(jìn)展

翟驍，何帆，趙檢，邵杰，趙云飛，趙穎川，倪海鍵，朱曉東，白玉樹，陳自強(qiáng)，李明

(第二軍醫(yī)大學(xué)長海醫(yī)院骨科，上?！?00433)

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骨科植入物表面細(xì)菌生物膜感染的預(yù)防和治療進(jìn)展

翟驍，何帆*，趙檢，邵杰，趙云飛，趙穎川，倪海鍵，朱曉東，白玉樹，陳自強(qiáng)*，李明*

(第二軍醫(yī)大學(xué)長海醫(yī)院骨科，上海200433)

骨科醫(yī)用植入物在臨床上得到了廣泛應(yīng)用，然而，植入物植入術(shù)后感染是骨科手術(shù)的災(zāi)難性并發(fā)癥，植入物周圍細(xì)菌生物膜形成是造成感染治療困難的主要原因。目前常用治療方法效果欠佳，清創(chuàng)術(shù)后是否保留內(nèi)固定一直以來也是爭論的熱點(diǎn)。另外更換新的植入物費(fèi)用昂貴，給社會和家庭帶來了巨大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。近年來，隨著學(xué)科交叉的深入發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，包括植入物新材料、抗生物膜制劑、生物疫苗、電刺激法、激光沖擊波法和超聲法等，在動物和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中證明可有效預(yù)防和治療植入物表面細(xì)菌生物膜感染，給患者和醫(yī)生帶來福音。進(jìn)一步創(chuàng)新方法的研究和臨床應(yīng)用，將成為醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)。

醫(yī)用植入物在骨科臨床的應(yīng)用廣泛，骨科醫(yī)用植入物的使用給骨關(guān)節(jié)炎、骨折和脊柱畸形等疾病的治療帶來了新方法。然而，隨之而來的則是骨科植入物表面的細(xì)菌生物膜感染的日益增多，由于處理起來相當(dāng)棘手，成為困擾骨科醫(yī)師的重要問題。目前，尚無非常有效的無創(chuàng)性生物膜破壞技術(shù)，主要依靠清創(chuàng)手術(shù)，抗生素治療，甚至取出移植物，感染控制后再重新安裝。這些方法增加了患者的痛苦，且費(fèi)用昂貴、周期較長，給家庭和社會帶來了較大負(fù)擔(dān)。本綜述回顧近年文獻(xiàn)，總結(jié)了預(yù)防和治療骨科植入物表面細(xì)菌生物膜感染的新技術(shù)。

1骨科植入物術(shù)后感染及治療現(xiàn)狀

骨科植入術(shù)后感染是較為嚴(yán)重和復(fù)雜的手術(shù)并發(fā)癥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年美國有約百萬例關(guān)節(jié)置換手術(shù)[1]，到2030年，預(yù)計(jì)將超過四百萬例[2]。關(guān)節(jié)置換術(shù)的術(shù)后感染以術(shù)后2年內(nèi)多見，感染率約2%[3-5]。一期和二期翻修清創(chuàng)術(shù)是較有效的方法，清創(chuàng)成功率分別約為80%和90%[6-8]。30 d內(nèi)的早期感染，通過廣泛清創(chuàng)，若確認(rèn)無竇道形成，可以保留植入物[9]。研究表明，早期清創(chuàng)聯(lián)合長程抗生素治療，控制感染的成功率可達(dá)71%[10-11]。最后，取出植入物一般作為最終治療方案[8]。目前，取出植入物的治療方案成本較高[12]，美國的人工關(guān)節(jié)感染的治療每例耗費(fèi)超過5萬美元[13]，而我國雖無這方面統(tǒng)計(jì)，但費(fèi)用總量估計(jì)也很高。因此，研究預(yù)防和治療植入物周圍感染十分重要，而其中細(xì)菌生物膜的形成是感染治療效果不理想的主要原因。

2細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)和耐藥性

細(xì)菌生物膜是附著于相關(guān)物體表面，由細(xì)菌細(xì)胞和其分泌的胞外多糖物質(zhì)包繞組成的膜物質(zhì)[14]。生物膜依靠細(xì)菌表面結(jié)構(gòu)黏附在骨科植入物表面，如鞭毛、菌毛和糖萼等[15]。此外，表面張力、疏水性和靜電引力等也與生物膜粘附力相關(guān)。生物膜較容易在粗糙的疏水性表面生長聚集[16]，厚度可達(dá)100 mm[3]。

由于植入物表面血供較少，缺乏營養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)菌生物膜往往呈持續(xù)性緩慢生長，耐藥性往往更高。與單細(xì)菌細(xì)胞相比，細(xì)菌生物膜耐藥性可增加1 000倍[3]。骨科植入物表面的細(xì)菌生物膜可由單種或多種細(xì)菌組成，包括金黃色葡萄球菌、凝固酶陰性葡萄球菌、乙型溶血性鏈球菌以及需氧革蘭氏陰性桿菌(包括銅綠假單胞菌)等[5]?？股鬲?dú)立治療生物膜效果較差，并且治療效果與生物膜形成的時(shí)間密切相關(guān)[14]。研究表明，在生物膜形成1周內(nèi)，妥布霉素和哌拉西林抗菌效果良好，但1周后生物膜耐藥性明顯增加[14]。另外，獨(dú)立使用抗生素的治療也可能會增加細(xì)菌耐藥性。有研究表明，抗生素使用不當(dāng)可能還促進(jìn)生物膜的繁殖[4，17]。

3細(xì)菌生物膜感染的預(yù)防和治療技術(shù)

3.1植入物新材料植入物材料的改進(jìn)可預(yù)防生物膜感染的形成，骨科植入物所用合金的種類一直是研究的熱點(diǎn)。葡萄球菌在不同合金表面黏附和繁殖能力不同，鈦合金表面細(xì)菌繁殖能力較弱，因?yàn)殁伜辖鹂梢允辜?xì)菌分散在植入物表面，增加了接觸抗生素的面積[18]。鈦合金去除釩成分后，可明顯減少細(xì)菌粘附和生物膜的形成[19]。此外，使用納米結(jié)構(gòu)的生物材料，可通過改變植入物表面結(jié)構(gòu)，改變表面電荷和附著面積等功能，使細(xì)菌難以附著[20-22]。

3.2抗生物膜制劑目前抗生物膜制劑研究較熱，Campoccia等[20]詳細(xì)綜述了抗生物膜的試劑種類。通常，抗生物膜制劑，如聚乙烯氧化物[23]等，通過利用親水性、高度水合和陰離子表面等特點(diǎn)，從而排斥細(xì)菌，減少黏附[20]。相反，也有一些疏水性和陽離子表面的制劑用于植入物表面時(shí)，可促進(jìn)感染條件下的骨愈合[24]。Shirai等[25]采用碘涂層的鈦植入物，在21 例惡性骨腫瘤或化膿性關(guān)節(jié)炎患者中預(yù)防性使用，僅1 例患者發(fā)生銅綠假單胞菌感染，經(jīng)靜脈注射抗生素治療好轉(zhuǎn)，未取出植入物。

生物活性的抗菌涂層可在植入物表面發(fā)揮抗菌作用。其中，人b-defensin-3抗菌肽較為常用。研究表明，人類b-defensin-3抗菌肽可明顯減少鈦合金表面的細(xì)菌菌落數(shù)量，并可有效對抗耐藥菌，如耐甲氧西林表皮葡萄球菌(methicillin resistant staphylococcus epidermidis，MRSE)和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin resistant staphylococcus aureus，MRSA)等[26-27]。另一種生物活性抗菌涂料，如含二醇二氮烯翁聚合物涂層[20]可通過釋放一氧化氮，結(jié)合過氧化物，產(chǎn)生過氧亞硝酸鹽，對細(xì)菌發(fā)揮非常的細(xì)胞毒性作用[20]。同樣，活性氧釋放涂層，如過氧化鈣的聚己內(nèi)酯[20]等，可通過氧自由基殺菌，但對周圍組織也有一定毒性[28]。光敏生物活性材料，如銳鈦礦型TiO2，在385 nm波長的紫外光的照射下可以激活，發(fā)揮殺菌作用[20]。

具有抗菌性質(zhì)的非抗生素類化合物，如金屬銀和銅等，可以通過自身腐蝕性，釋放金屬離子，破壞細(xì)菌的呼吸鏈，發(fā)揮抗菌作用[20]。這些金屬在骨科植入物的表面形成離子膜，防止細(xì)菌粘附。

3.3生物疫苗目前針對常見細(xì)菌，也有一些學(xué)者在研究相關(guān)疫苗。疫苗從細(xì)菌表面提取了多糖或蛋白質(zhì)，注射后機(jī)體可產(chǎn)生防止生物膜形成的免疫球蛋白[21]。由于金黃色葡萄球菌容易產(chǎn)生耐藥性，相關(guān)疫苗的研究成功率較小[29]。例如Staph VAX疫苗雖然通過了Ⅲ期臨床試驗(yàn)，但是第一年有效率即減少至30%，最終導(dǎo)致撤回[30]。最近開發(fā)的四價(jià)疫苗，從細(xì)菌氨基葡萄糖苷酶(即ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，一種保守蛋白和保守脂蛋白)中提取，與抗生素聯(lián)用后，可以清除87.5%的細(xì)菌生物膜感染[31]。

噬菌體是一種可以破壞細(xì)菌的病毒，對植入物表面的生物膜可能有效。研究發(fā)現(xiàn)，骨科植入物周圍感染MRSA和銅綠假單胞菌的大鼠，使用噬菌體可有效增強(qiáng)抗生素的抗菌效果[32]。

生物活性酶可通過溶解生物膜成分，導(dǎo)致生物膜的破壞。例如，分散蛋白(dispersin，Dsp)B可通過溶解聚合物或蛋白酶K，裂解生物膜的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)抗生素對細(xì)菌的作用[20]。一些細(xì)胞毒性藥物，如檸檬酸，也可以去除鈦合金植入物表面的生物膜[33]。

3.4電刺激法電刺激在骨科植入物抗感染方面的應(yīng)用是較新的研究方向。研究表明，當(dāng)感染金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌不銹鋼植入物上施加電流時(shí)，可以減少生物膜的粘附[34]。對于關(guān)節(jié)置換術(shù)后耐甲氧西林生物膜感染的大鼠，對鈦合金植入物表面給予電流刺激，可明顯減少生物膜粘附，并且與材料導(dǎo)電性和電壓大小相關(guān)[35]。對于脊柱手術(shù)后生物膜感染的兔子進(jìn)行電流刺激，也可使生物膜和植入物分離[36]。

3.5激光沖擊波法利用激光產(chǎn)生的沖擊波，可通過機(jī)械能破壞生物膜[37]。研究發(fā)現(xiàn)，鎳鈦合金支架表面形成銅綠假單胞菌生物被膜后，使用4～10 s激光沖擊波，即可消除97.9%的生物膜[38]。激光產(chǎn)生的沖擊波能破壞生物膜，分離成單個細(xì)菌，使抗生素治療更加有效[38]。

3.6超聲波法超聲作用于生物組織可產(chǎn)生生物效應(yīng)。研究表明，超聲與抗生素聯(lián)用，可提高其抗生物膜活性[39]。近年來，超聲微泡技術(shù)的應(yīng)用增強(qiáng)了超聲的空化作用，可通過激活人類b-defensin-3抗菌肽從而破壞生物膜[40]。同時(shí)，超聲靶向輻照下破壞攜帶藥物的微泡，可以達(dá)到靶向治療的目的[41]。

4總結(jié)與展望

隨著骨科植入物感染的發(fā)病率和治療成本的增加，單純依靠抗生素或手術(shù)清創(chuàng)的治療方法已不能滿足臨床要求。由于細(xì)菌生物膜的毒性和耐藥性增加，既往的治療方法效果不容樂觀。隨著學(xué)科交叉的深入和新技術(shù)的出現(xiàn)，促進(jìn)了細(xì)菌生物膜預(yù)防和治療技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。目前，新技術(shù)的研究多為動物學(xué)和細(xì)胞學(xué)研究，具體臨床效果仍待進(jìn)一步探索。隨著新技術(shù)不斷出現(xiàn)和改進(jìn)，創(chuàng)新的無創(chuàng)性細(xì)菌生物膜破壞療法將成為醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)。

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作者簡介：翟驍(1990- )，男，研究生在讀，第二軍醫(yī)大學(xué)長海醫(yī)院骨科，200433。

收稿日期：2015-10-21

中圖分類號：R318.08

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(81101396)，上海市衛(wèi)生計(jì)生委課題(12411950800)，上海市科委課題(15ZR1412700)，第二軍醫(yī)大學(xué)校級課題(2014QN15)；*本文共同第一作者：何帆；*本文通訊作者：陳自強(qiáng)，李明

文章編號：1008-5572(2016)04-0336-04