生物治療在假體周圍感染的臨床應用與研究進展

徐一宏 李朔 徐衛(wèi)東

（海軍軍醫(yī)大學附屬長海醫(yī)院關節(jié)骨病外科，上海 200433）

人工關節(jié)置換術是治療晚期嚴重髖、膝關節(jié)疾病的主要手術方式。在美英兩國，人工髖、膝關節(jié)置換例數約為每年80萬例，而到2030年這一數字預計將增長到每年400萬例[1]。一旦人工關節(jié)假體植入體內，就將面臨發(fā)生假體周圍感染（periprosthetic joint infection,PJI）的風險。目前文獻報道的PJI發(fā)生率在1%～2%[2,3]。因此，PJI 成為人工關節(jié)置換術后失敗的主要原因之一[4]。

雖然隨著假體表面材料的改進、手術技術的進步及抗生素的預防性使用，人工關節(jié)置換術后感染率有所下降，但由于人口的老齡化，人工關節(jié)置換數量呈現逐年增長的趨勢，術后發(fā)生假體周圍感染的患者數量也在不斷增長。

與此同時，假體周圍感染的治療卻困擾著關節(jié)外科醫(yī)師。目前臨床仍主要采用長期抗生素治療、保留假體的清創(chuàng)術、一期或二期翻手術，但是這些方法還不能有效應對PJI[5,6]。隨著生物技術、納米技術的發(fā)展，PJI 生物治療正逐漸成為一種新興的輔助治療方法。但大多數臨床醫(yī)師對于現有的PJI 生物治療的臨床應用及研究進展缺乏深入的了解和認識。

本文從生物治療在PJI 中應用的必要性、臨床已嘗試開展的PJI生物治療和PJI生物治療的研究熱點三個方面進行綜述，旨在闡述生物治療聯合清創(chuàng)或翻修手術在假體周圍感染治療中的應用，為國內開展假體周圍感染的生物治療提供依據。

1 PJI生物治療的必要性

目前PJI 治療主要分為保守治療和手術治療。保守治療主要是長期應用抗生素，一般僅適用于低毒性且對抗生素敏感的致病菌所引起的PJI。而手術治療仍是治療PJI的主要方法。

然而，由于假體周圍感染常伴有致病菌生物膜形成，殺滅生物膜內細菌需要的抗生素濃度是殺滅浮游細菌的1000倍[7]。同時，生物膜這種特殊的菌落形態(tài)在應激狀態(tài)下容易出現菌株突變，從而導致耐藥菌株產生的可能性大增[8]。最終，致使假體周圍感染治療效率低下[9,10]。

此外，由于骨組織的滲透性較差，全身使用抗生素毒副作用大，且病灶內難以達到有效殺菌濃度；而局部抗生素使用雖可降低全身毒性，但又存在抗生素的突釋、維持時間短、局部抗生素濃度過高，抑制成骨等問題[11,12]。

二期翻修手術聯合術后長期抗生素治療雖然被稱為PJI治療的“金標準”，但二期翻修手術需要多次手術清創(chuàng)及更換假體，患者的住院時間更長，花費巨大。有研究報道，與因無菌性松動而行翻修手術的患者相比，PJI患者的翻修手術創(chuàng)傷更大，住院時間長1.9～2.2 倍，住院花費高2.6～2.8 倍[13]。另一方面術后長期抗生素治療對于患者的毒副作用較大，部分患者依從性較差，甚至更有少數患者拒絕接受長期抗生素治療，從而造成病情的反復。

即使PJI 患者采用了二期翻修聯合術后長期抗生素治療這一“金標準”，也并不意味所有的患者都能獲得很好的療效。文獻報道，二期翻修手術的感染再發(fā)生率為3%～25%不等[14]。對于感染控制不佳的PJI 患者，可能需要行關節(jié)融合或截肢手術[15]。因此，PJI 是人工關節(jié)置換術后災難性的并發(fā)癥?；颊咝枰惺芫薮蟮纳砗托睦淼耐纯啵袚甙旱尼t(yī)療費用，給家庭和社會帶來沉重的負擔[16]。

現有的假體周圍感染的治療方法都存在各種各樣的問題，無法獲得較為滿意的治療效果。PJI 的生物治療方法雖然各不相同，但因其具有破壞生物膜、靶向治療、降低抗生素最低抑菌濃度等優(yōu)點，愈發(fā)受到關節(jié)外科醫(yī)師的重視。

2 已嘗試的臨床應用研究

2.1 水凝膠載藥系統

水凝膠是以水為分散介質的凝膠。由于其具有可降解性及良好的生物相容性，又能負載多種抗生素，且改性后的水凝膠可以實現抗生素緩釋等作用，因此水凝膠被逐漸應用到假體周圍感染的治療之中[17]。水凝膠不但可以直接涂抹于假體表面，也可直接用于關節(jié)腔注射，實現精準治療。

Drago 等[18]利用負載抗生素的水凝膠假體涂層，研究水凝膠對細菌生物膜的作用。結果證實，水凝膠具有抗細菌黏附作用，減少了細菌在假體表面的定植，同時具有穩(wěn)定的藥物緩釋能力，可實現長達96小時的抗生素釋放。他們發(fā)現水凝膠載藥涂層可以使最低抑菌濃度降低4倍，且聯合抗生素不但可以殺滅多種游離細菌，還能抑制生物膜的形成。

動物實驗表面，無論水凝膠是否載藥，其都具有良好的生物相容性，且局部都無炎癥反應，也并不影響骨長入[19]。Malizos等[20]對256例患者應用水凝膠載藥涂層內固定物行骨折內固定術，結果證明水凝膠可以明顯降低術后感染率（涂層組0%，對照組4.6%）。Romanò等[21]對380例患者使用水凝膠直接涂抹于人工關節(jié)假體表面，平均隨訪14.5個月，發(fā)現水凝膠涂層可以明顯降低初次關節(jié)置換或翻修術后PJI的發(fā)生率（涂層組0.6%，對照組6%），但兩組間不良反應發(fā)生率無統計學差異。

水凝膠具有良好的生物相容性，又能負載多種抗生素，在臨床應用中可以降低PJI的發(fā)生率。但是其也存在負載的抗生素緩釋時間短，抗生素的突釋可能引起細菌的耐藥等問題?，F有的臨床研究隨訪時間過短，未來在改進上述問題時，還應進行更長時間的隨訪，以驗證其真實的效果。

2.2 抗菌微球載藥系統

抗菌微球是一類直徑一般為20 μm 左右的新型載藥生物材料，常用的材料為海藻酸鈉等?？咕⑶蚩梢园喾N抗生素，當行人工關節(jié)置換或二期翻修手術時，將載藥微球填充于髓腔，同時其可以填充于生物型假體表面的空隙，發(fā)揮局部釋放作用，有效殺滅對抗生素敏感的致病菌。抗菌載藥微球植入體內后，可逐步降解，具有良好的生物相容性。

與水凝膠載藥系統相比，載藥微球的藥物緩釋實驗證實，其可實現藥物的穩(wěn)定、長期釋放、釋放期可長達90 天[22]。Ambrose 等[23]開展了動物實驗研究，將載藥微球填充于假體與骨質間隙，結果證明其可以有效地治療金黃色葡萄球菌所引起的PJI，且載藥微球的存在不影響假體的骨長入。

Marczak等[24]研究了碳酸鈣載藥微球負載慶大霉素用于治療PJI 二期翻修術中的作用。他們將56 例PJI 患者隨機分為兩組，實驗組二期翻修時將載藥微球填充于髓腔，隨后進行假體固定，而對照組使用空白微球，術后根據藥敏或經驗性使用靜脈輸注抗生素1周，隨后口服抗生素6周。隨訪6個月，結果顯示實驗組感染復發(fā)率為0%，而對照組為17.9%。

載藥微球可以包裹多種抗生素，具有良好的緩釋能力，可長期局部緩釋抗生素。二期翻修時，聯合載藥微球進行治療，可以顯著降低PJI 的感染復發(fā)率。但是載藥微球填充于髓腔或假體與骨質之間，可能會影響關節(jié)的活動度或者可能會影響假體的穩(wěn)定性。另外，有臨床研究報道，硫酸鈣載藥微球可以導致PJI 翻修術后的高鈣血癥[25]。因此，未來需要進一步研究其安全性及其對假體穩(wěn)定性的影響。

2.3 噬菌體靶向治療

噬菌體廣泛存在自然界中，是一種侵襲細菌的病毒，具有降解生物膜蛋白、感染、復制和選擇性殺死細菌細胞的能力。

噬菌體通過絲狀尾纖維特異性識別并結合細菌表面蛋白，來攻擊細菌[26]。它們附著在細菌表面，隨后在宿主細胞內進行復制，產生一種“內聚蛋白”的蛋白質。內聚體溶解細菌細胞壁，有效地殺死細胞并釋放噬菌體[27]。釋放的噬菌體可以再次用來攻擊其他的細菌，起到高效殺菌作用。因此，噬菌體可以被視為一種自我放大的治療方法。

動物實驗表明，利用緩釋材料負載金黃色葡萄球菌特異性噬菌體，并聯合利奈唑胺治療耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌引起的PJI，可以明顯減少細菌黏附并具有良好的殺菌作用，同時并無耐藥細菌的產生[28]。

目前臨床Ⅰ期試驗已經證實，噬菌體具有良好的安全性，可以用于臨床治療[29]。Rose 等[30]報道，應用包含銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌特異性噬菌體的雞尾酒（兩種噬菌體混合液）治療燒傷后皮膚感染，聯合燒傷感染切口常規(guī)用的抗生素，可以有效縮短感染治療病程。

噬菌體雖然可以通過結合致病菌表面蛋白，靶向性治療臨床感染病灶，降低大劑量抗生素使用所帶來的毒副作用，但是目前的研究大多針對金黃色葡萄球菌或銅綠假單胞菌所引起的PJI，對于其他致病菌或者混合感染的治療效果還不明確。同時，噬菌體具有一定的免疫原性，目前只有極少數的臨床Ⅰ期實驗證明其安全性，未來仍然需要進一步評估。

3 生物治療的研究熱點

目前，隨著生物治療在臨床PJI 治療中的嘗試應用，PJI生物治療的手段及作用機制，也成為假體周圍感染領域的研究重點，主要集中在對細菌生物膜裂解劑、靶向治療、被動免疫、新型假體涂層等多方面的研究。

3.1 生物膜裂解劑

細菌生物膜是一道機械屏障，免疫細胞和抗生素很難進入，抑制吞噬細胞的吞噬作用，抵抗自身免疫系統和抗生素。因此PJI 的治療關鍵之一就是裂解生物膜。

分散素B 就是當前研究的一類新型生物膜裂解劑。文獻報道，分散素B是一種分子量為40 kDa糖苷水解酶，它能夠催化細菌生物膜基質中N-乙酰-D-葡糖胺的水解[31]。而N-乙酰-D-葡糖胺線性聚合物恰恰是組成各種革蘭陰性菌和革蘭陽性菌生物膜基質結構完整性不可或缺的部分。

因此分散素B 在生物膜的水解中起到了關鍵作用[32]，目前已知其對乙型鏈球菌、金黃色葡萄球菌等多種致病菌有效。分散素B聯合抗生素使用，可以破壞細菌生物膜，進一步殺滅膜內的致病菌，提高PJI治療的成功率，同時可以降低抗生素的使用劑量，降低其毒副作用。

未來，通過分散素B 裂解生物膜，聯合敏感抗生素殺死膜內細菌，將會是PJI 生物治療的一大方向。在保留假體清創(chuàng)或翻修術時，將其聯合應用，注射于關節(jié)腔，可提高手術的成功率，防止感染復發(fā)。

3.2 生物靶向治療

由于現有的抗生素治療往往需要全身大劑量、長期使用，毒副作用較大。而局部使用抗生素，又有可能因抗生素的突釋導致細菌的耐藥。因此，PJI 的靶向生物治療成為新的研究熱點。

目前的研究主要是在納米材料表面標記抗體，通過抗體特異性識別致病菌，同時納米材料通過化學鍵或其他方式進行載藥，負載的藥物可以是抗生素、抗菌肽、溶菌酶等，靶向性地治療PJI。

有文獻報道，通過抗體標記的溶葡萄球菌酶納米聚乳酸（polylactic acid,PLA）可以有效地殺滅金黃色葡萄球菌[33]。Chen 等[34]報道，用小鼠構建感染模型，通過靜脈注射抗體標記的抗菌肽納米顆粒，用動物成像系統觀察抗體標記的抗菌肽納米顆粒分布情況。結果顯示，納米顆?？梢园邢蜃R別感染病灶。

生物靶向治療特異性強，負載新型廣譜抗生素治療效果好，結合緩釋材料，還能延長治療時間。另外，生物靶向治療精確，可以減少抗生素的毒副作用。但是目前靶向治療多針對常見致病菌引起的PJI的治療，未來需研究多種致病菌或者多重耐藥致病菌的靶向治療。

3.3 被動免疫治療

目前被動免疫治療的主要方法是多克隆抗體和單克隆抗體。被動免疫治療具有提高機體免疫力的功能，為那些免疫力低下的患者提供有效的治療方法。同時，聯合抗生素治療可以提高PJI治療的成功率。

Varrone 等[35]使用抗耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（methicillin-resistantStaphylococcus aureus,MRSA）單克隆抗體治療大鼠假體相關骨髓炎，來減輕骨髓炎的癥狀。組織病理學檢查提示單克隆抗體可以減輕感染局部骨溶解及膿腔數量，促進金黃色葡萄球菌對巨噬細胞的內化作用，增加感染局部巨噬細胞數量，同時提高巨噬細胞的吞噬能力。

Brady等[36]使用抗生物膜多克隆抗體治療兔脛骨慢性骨髓炎，分別減少了34%臨床感染癥狀及9%影像學感染表現。如果聯合使用萬古霉素，則可分別降低67%和87%的感染表現。

雖然現階段被動免疫治療仍處在動物實驗階段。但是其所特有的優(yōu)勢，為免疫力低下的患者甚至是免疫缺陷的患者的PJI 提供了新的治療方向。被動免疫聯合抗生素治療可以進一步提高PJI 治療的成功率。未來，需要進行更多的臨床研究，早日將被動免疫治療應用于臨床PJI的治療。

3.4 新型假體涂層

目前，臨床常用的假體抗菌涂層主要分為兩種，抗生素涂層和納米材料涂層。然而現有的假體涂層，大多存在抗菌時長過短或抗生素的突釋等問題。為了解決上述問題，國內外進行了大量的研究。

PJI常見的致病菌為表皮葡萄球菌和金黃色葡萄球菌。這些致病菌在增殖時會產生酸性環(huán)境。機體發(fā)生炎癥反應時，由于巨噬細胞和中性粒細胞的趨化，同樣會導致局部的酸化。一般感染或炎性反應時局部pH值通常低至5.5～7.0。當pH值低至上述范圍時，抗菌藥物被釋放，殺滅致病菌。

Pichavant 等[37]利用這一原理，將具有pH 閥門功能的負載慶大霉素的納米涂層應用于鈦合金表面治療金黃色葡萄球菌引起的PJI，結果證明該涂層可以抑制假體表面致病菌的生長。

抗菌肽涂層是另一種新型的假體涂層。通過帶正電荷的抗菌肽直接靶向與帶負電荷的細菌的細胞膜相互作用，導致細胞膜破裂和隨后的菌體裂解[38]。同時，抗菌肽還具有選擇性免疫激活功能，可誘導單核細胞和淋巴細胞衍生的趨化因子和細胞因子的表達，加強抵抗病原菌入侵的內部防線[39]。此外，抗菌肽還能減少參與生物膜形成的細菌鞭毛的生成，發(fā)揮抑制生物膜形成的作用[40]。

基于上述獨特高效的抗菌機制，抗菌肽涂層具有廣譜抗菌特性，且不易耐藥。有學者將抗菌肽固定于假體表面，發(fā)現抗菌肽涂層假體不但可以有效殺滅金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌，而且還能抑制炎癥反應，促進組織愈合[41]。

現階段有多種實驗有效的抗菌涂層，雖然距離臨床應用還有一定的實驗周期，但是抗菌涂層的臨床轉化是不可避免的。

4 展望與小結

現階段，人工關節(jié)置換術后感染的患者大多仍采用清創(chuàng)或翻修手術，輔以術后長期抗生素治療。但是現有的治療技術并不能保證徹底清除生物膜及殺滅膜內細菌，最終導致感染的遷延不愈。另外，手術翻修創(chuàng)傷大，花費巨大，而術后長期的抗生素治療，對全身及周圍組織毒副作用明顯，使得PJI 的治療始終無法取得突破性進展。

由于生物治療能夠靶向性治療感染病灶，降低抗生素最低抑菌濃度，能夠破壞生物膜或抑制生物膜的生長，因此生物治療作為一種新興的治療手段被應用于臨床PJI 的治療研究中。雖然目前生物治療在臨床PJI的治療中的應用還不普遍，但現有的水凝膠載藥系統、抗菌載藥微球系統和噬菌體靶向治療，已嘗試在臨床應用，結果顯示其聯合清創(chuàng)或翻修手術在PJI治療中具有特有的優(yōu)勢。

隨著生物治療在PJI 臨床應用的推廣，許多問題也愈發(fā)受到大家的關注。首先是生物治療的安全性問題，即生物治療PJI 是否安全可靠。其次，由于隨訪時間較短，生物治療的遠期療效仍有待進一步的驗證。最后如何將生物治療與現有的保留假體清創(chuàng)或翻修手術相結合，進一步提高PJI 的治療成功率。因此，未來需要更多的多中心大樣本研究，來解答上述問題，最終使得生物治療能成為臨床治療PJI的有力輔助，甚至主要手段。