骨折相關感染治療的研究進展

何愛民，杜 宇，白雪松，王 磊，呂惠成

(1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學，呼和浩特 010010； 2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院創(chuàng)傷二科，呼和浩特 010030)

骨折相關感染(fracture-related infection,FRI)是創(chuàng)傷外科手術中常見的嚴重并發(fā)癥[1]。閉合性骨折內(nèi)固定術后感染率為1%，而嚴重的開放性骨折的感染風險為15%～55%[2]。骨折內(nèi)固定術后感染發(fā)生率較高，按照時間分類可分為早期感染(<3周)、延遲感染(3～10周)及慢性感染(>10周)[3]。現(xiàn)階段隨著我國創(chuàng)傷急救體系的建立和逐步完善,早期創(chuàng)傷救治效果有所提高。但FRI仍是創(chuàng)傷患者后期最主要并發(fā)癥,病死率占全部創(chuàng)傷中晚期病死率的70%以上[4]。而45%的院內(nèi)FRI由術中使用內(nèi)植物引起，植入物引起的相關感染導致內(nèi)固定失敗，使得后期翻修手術次數(shù)增加2～3倍。針對FRI的產(chǎn)生，筆者認為是創(chuàng)傷致全身及局部組織炎癥介質(zhì)增高，當金屬內(nèi)植物植入后會發(fā)生免疫排斥反應，并在鋼板周圍產(chǎn)生生物膜，而全身應用抗生素卻不能阻斷和破壞生物膜的形成，并且隨著生物膜形成的時間越長，全身應用抗生素的效果越差。當機體全身或局部抵抗力低下、細菌毒力或數(shù)量較大時常常容易發(fā)生感染，若在早期未能及時控制，則會出現(xiàn)FRI。FRI是目前臨床治療難題之一，其主要原因在于骨骼的解剖特點和骨科植入物在手術中的應用為病原微生物的定植和感染創(chuàng)造了條件，而全身用抗生素很難在感染部位達到有效濃度，造成臨床治療效果不佳[5]。但目前針對FRI的常規(guī)治療仍以應用敏感型抗生素為主。FRI中最常見的細菌種類是葡萄球菌(革蘭氏陽性)，腸桿菌(革蘭氏陰性)是術后早期(2周內(nèi))第二常見的種類[6]。有文獻報道Gustilo-AndersonI型和II型的骨折患者預防性使用抗生素時間應≤24h，而III型骨折患者不應>72h，如果在66min內(nèi)仍未系統(tǒng)地應用抗生素，則發(fā)生FRI的風險極大。而且無論是哪種類型的開放性骨折在關閉傷口后抗生素使用時間不宜>24h[7]。發(fā)生FRI的患者通常需要多次手術，抗菌治療的療程較長，相應的骨愈合的時間也會延長，而且愈后功能可能較差。除了給患者造成損失外，與非感染患者相比，F(xiàn)RI還導致了更高的醫(yī)療費用，是未感染患者的6.5倍[8-9]。

1 發(fā)生FRI的因素[10]

(1)手術史或感染史。(2)吸煙、酗酒、重度肥胖(BMI>35)、貧血、低蛋白血癥、類風濕性關節(jié)炎病情控制不佳、腫瘤、免疫抑制狀態(tài)、糖尿病血糖控制不佳[11]、嚴重腎病、腎移植術后以及合并其他全身疾病，且美國麻醉師協(xié)會(American Society of Anesthesiologists,ASA)健康狀況分級≥3級。吸煙和使用任何尼古丁均會增加骨折固定后感染的風險，術前禁煙、控制患者血糖均可降低FRI的發(fā)生率[12]。而營養(yǎng)不良、肥胖、風濕性關節(jié)炎、糖尿病及免疫缺陷等高?；颊呙媾R的是更高的感染風險，甚至是反復感染，致病菌可以通過直接接觸、血行播散或內(nèi)源性轉移到達植入物表面。高危因素患者的相對感染風險為正常人群的20倍[13]。(3)身體其他部位存在活躍或潛在感染灶，包括毛囊炎、疥瘡、皮癬、齲齒、牙齦炎、鼻竇炎、鼻腔內(nèi)有金黃色葡萄球菌定植、泌尿生殖系統(tǒng)慢性感染等。(4)手術相關因素，包括手術難度大、多部位同期手術、脊柱多節(jié)段手術導致手術時間過長[14]、輸血、住院時間延長等，而且復雜的外科手術及技術也容易并發(fā)感染[15]。(5)手術切口部位因素，包括切口滲血、滲液、血腫、皮緣壞死、切口愈合不良等[16]。(6)開放性骨折：在AO/骨科創(chuàng)傷協(xié)會開放性骨折分類(OTA-OFC)中提到，F(xiàn)RI最常發(fā)生在開放性骨折之后，根據(jù)損傷嚴重程度的不同，發(fā)生率高達25%。1898年，德國內(nèi)科醫(yī)生弗里德里希在基礎研究成果的基礎上提出了清創(chuàng)的“6h理論”[17]。這一原則稱，開放性骨折在傷后6h內(nèi)進行清創(chuàng)，可以進行一期治療。如果在受傷后6～24h清創(chuàng)，一期治療則有發(fā)生感染的風險。如果受傷時間>24h，由于細菌繁殖，則不建議一期處理，清除所有污染物和失活組織可以有效預防FRI。傳統(tǒng)觀念認為開放性骨折應盡早清創(chuàng)(最好在6h內(nèi))，但是許多回顧性研究均不支持這一觀點，因為隨后的FRI發(fā)生率相似[18]。這可能與醫(yī)者對其他因素(如早期圍手術期抗生素預防)重要性的理解有所提高有關。因此，對開放性骨折來說，徹底的手術清創(chuàng)似乎比早期清創(chuàng)更重要，而且FRI的發(fā)生主要與骨折的Gustilo-Anderson分級有關，軟組織損傷越重的骨折患者FRI的發(fā)生率越高。除此之外,有研究還發(fā)現(xiàn)，通過收集并分析有無藥物過敏史，有過敏史的患者手術切口感染率顯著高于無過敏史患者(P=0.019)。其與切口感染的發(fā)生有直接關聯(lián)，頭孢和青霉素，尤其是頭孢類的抗生素對預防外科手術切口的感染具有重要作用[19]。

2 FRI的診斷標準

FRI的某些特征可被視為病原學感染，其他不具備特異性的特征可能表明存在感染，但在一些沒有感染的患者中也可能出現(xiàn)。2018年的骨折相關感染專家共識確定了FRI的診斷標準。[1]

2.1直接標準 (1)瘺管、竇道或傷口破裂(與骨骼或植入物連通)。(2)圍手術期傷口出現(xiàn)膿液或膿性引流物。(3)通過在手術干預期間從至少兩個單獨的深層組織/植入物(包括超聲流體)標本中進行培養(yǎng)而鑒定出病原體。如果是組織，則應取多個標本，每個標本均應使用干凈的儀器(而不是淺表或竇道拭子)。如果在與骨折骨相鄰的關節(jié)中出現(xiàn)關節(jié)積液，則可以將通過無菌穿刺獲得的液體樣品作為單個樣品包括在內(nèi)。(4)在手術干預過程中，使用特定的細菌或真菌染色技術進行組織病理學檢查并在深層組織中發(fā)現(xiàn)微生物。

2.2間接標準 (1)臨床體征出現(xiàn)以下癥狀：疼痛(在無負重的情況下且隨時間增加疼痛加劇或者出現(xiàn)新發(fā)的疼痛)； 局部發(fā)紅、腫脹、皮溫升高； 發(fā)熱(體溫≥38.3℃)。(2)放射學體征：隨著時間的推移出現(xiàn)植入物松動； 骨愈合進展失敗(即不愈合)； 死骨形成(例如在骨折部位以外的位置，或在合并骨折的情況下)； 在骨折部位，植入物周圍出現(xiàn)骨溶解。(3)血清炎癥指標升高(ESR、WBC、CRP)：在肌肉骨骼損傷中，應慎重注意這些指標的升高。如果在一段時間內(nèi)繼發(fā)上升(最初下降之后)或持續(xù)升高，并且排除了其他傳染性病灶或炎癥過程，則提醒可能出現(xiàn)FRI。(4)術后幾天內(nèi)傷口出現(xiàn)持續(xù)的、不斷增加的或者新發(fā)的不明液體，且無法解釋該情況發(fā)生的原因。(5)骨折患者新發(fā)關節(jié)積液。外科醫(yī)師應意識到，在以下情況可能出現(xiàn)感染性關節(jié)炎：穿透關節(jié)囊的植入材料(例如股骨髓內(nèi)釘)； 關節(jié)內(nèi)骨折。

3 FRI的預防與治療

預防FRI的主要原則包括全身和局部應用抗生素、手術前皮膚消毒以及手術治療。圍手術期抗生素預防(PAP)已被證明在預防骨折手術后感染方面非常有效[20]。多數(shù)方案建議使用廣譜抗生素，通常是第一代頭孢菌素，而對于有革蘭氏陰性細菌污染風險的嚴重污染的GustiloⅢ型損傷傷口，則需另加氨基糖苷類抗生素，如妥布霉素或慶大霉素。如果有厭氧菌感染的可能性，如梭狀菌，則推薦使用大劑量青霉素。有研究證明在葡萄球菌感染患者中加用利福平是有效的[21]； 在《坎貝爾骨科手術學》第6卷中提到，每日1次大劑量抗生素和低劑量分次給藥的效果是一樣的。

3.1生物膜的產(chǎn)生 在治療FRI過程中作者發(fā)現(xiàn)，大約60%的FRI發(fā)生與生物膜有關[22]。內(nèi)置物周圍感染的發(fā)生機制主要包括生物膜的形成和局部免疫力的下降； Aparna等[23]研究發(fā)現(xiàn)細菌黏附并定植于固體表面的現(xiàn)象，并將其定義為細菌生物膜。許多骨科感染的發(fā)病機制與生物膜中微生物的存在有關。在隨后的研究中Getzlaf等[24]提出了4個促進感染期間生物膜形成的原因：(1)機體保護宿主免受有害條件的傷害； (2)局部營養(yǎng)物質(zhì)豐富； (3)細菌相互吸引聚集； (4)細菌通常會促進生物膜生長，而金屬內(nèi)植物是浮游培養(yǎng)皿(生物膜的默認生長模式)。生物膜的生長周期有5個階段，具有與生物表型無關的共同特征。在體內(nèi)有金屬內(nèi)植物的情況下，細菌進行吞噬作用的無效嘗試可能會導致細胞毒性和蛋白水解物質(zhì)的釋放，從而導致組織損傷，并最終造成植入物周圍的骨溶解。骨科植入物表面的細菌生物膜可由單種或多種細菌組成,主要是金黃色葡萄球菌、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[25]。細菌生物膜的形成是一個動態(tài)的過程，因為生物膜隨著時間的推移而成熟，導致感染從發(fā)病開始就很難治療。針對生物膜的治療，單純應用抗生素效果較差，最主要原因是全身應用抗生素不能阻斷和破壞生物膜的形成，使得單核細胞及吞噬細胞不能進入生物膜殺傷細菌，并且隨著生物膜形成的時間越長，全身應用抗生素的效果越差。如治療不善會極大地增加患者的經(jīng)濟負擔和社會負擔。

3.2內(nèi)植物去除時機 在治療FRI的過程中是否移除內(nèi)植物是骨科醫(yī)師必須解決的一個常見難題?；A科學數(shù)據(jù)表明，如果保留內(nèi)植物，生物膜將阻止感染的根除。雖然證據(jù)有限，但一些回顧性臨床研究表明，在選定的病例中，手術清創(chuàng)后選擇保留內(nèi)植物進行治療，可以獲得骨折愈合。盡管這些患者的FRI得到了成功治療，但與未感染患者相比，實現(xiàn)骨性愈合的時間更長，為130d[20]。對于早期FRI的創(chuàng)傷患者，最好的治療策略是進行徹底的清創(chuàng)、組織培養(yǎng)取樣和經(jīng)驗性抗生素治療，如果結構穩(wěn)定，則保留內(nèi)植物。如果內(nèi)固定不穩(wěn)定，治療應包括手術清創(chuàng)、取出松動的內(nèi)植物、再次進行內(nèi)固定或外固定(立即、分期或延遲)、抗生素治療、必要的軟組織覆蓋。即使感染出現(xiàn)在初次固定后的幾天內(nèi)，不穩(wěn)定的植入物也必須取出。如果內(nèi)植物明顯松動或目前的固定不太可能愈合，應考慮取出FRI患者植入的內(nèi)植物。2018年國際肌肉骨骼感染共識認為保留或移除內(nèi)植物視臨床情況決定，需要考慮感染程度、內(nèi)植物的不穩(wěn)定性和骨折部位。如果骨折已經(jīng)愈合，取出所有的內(nèi)植物和壞死材料，可以很好地治療感染。

3.3局部抗生素的應用 在肌肉骨骼手術中，局部應用抗生素已成為治療骨髓炎和植入物相關感染的標準程序。Foster等[26]認為將達托霉素與傳統(tǒng)使用的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥結合形成適當?shù)妮d體將抗生素直接植入感染部位，在局部可以獲得很高的藥物濃度，而且沒有明顯全身性的毒副反應。局部抗生素的應用機制包括植入聚甲基丙烯酸甲酯、涂層、膠原纖維、水凝膠和陶瓷(磷酸鈣和硫酸鈣)。FRI治療是否成功的原因包括感染持續(xù)時間、骨折固定的穩(wěn)定性、清創(chuàng)是否徹底、抗生素治療的時間和鋼板植入位置是否合適。在FRI治療過程中早期清創(chuàng)，結合局部抗生素載藥涂層的植入，使感染持續(xù)的時間縮短，且生物膜成熟的時間也最短。聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(PMMA)歷史上一直是骨科和創(chuàng)傷手術中輸送局部抗生素的基石，PMMA可根據(jù)需要以多種形式應用，如抗生素串珠、間隔器、髓內(nèi)骨水泥釘[27],在應用PMMA載藥時，推薦抗生素載藥濃度為10%[28]。局部植入萬古霉素骨水泥可以至少在術后1周內(nèi)傷口局部達到很高的藥物治療濃度，而全身藥物濃度很低，可以避免全身使用萬古霉素帶來的不良反應，具有很高的安全性[29]。但是使用含抗生素的PMMA的主要限制是多數(shù)情況下需要二次手術取出。進一步的限制包括釋放的藥代動力學，在添加的抗生素中90%以上被保留在骨水泥中，在很長時間內(nèi)釋放抗生素的濃度較低。因此，PMMA可以被耐藥細菌定植。在臨床前沿領域，已經(jīng)研究了新技術，例如使用涂層保護活性物質(zhì)不被水解降解，從而攜帶抗生素。自固化磷酸鈣人工骨可以滿足這一要求，其作為局部抗生素載體,有良好的生物相溶性,可完全降解,具有骨傳導及藥物緩釋功能,且與溶液混合時不會產(chǎn)生過高熱量,可有效避免高溫所致的抗生素活性降低甚至喪失。內(nèi)蒙古醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科呂惠成教授率其團隊開展如何有效的預防和治療FRI的研究，在術前加入感染風險的評估，設立篩選標準，將合并II型糖尿病(空腹血糖10mmol/L以上)、BMI≥35、長期吸煙(吸煙史>10年，20支以上/d)、長期酗酒(飲酒史>10年，6兩/d)、開放性骨折(Gustilo-AndersonII型及以上)的患者作為高危人群，使用載藥自固化磷酸鈣進行預防及治療FRI取得良好的臨床療效。目前應用臨床的生物可吸收材料，如自固化磷酸鈣人工骨等，拓寬了局部抗生素使用的道路，并增強藥代動力學釋放。

現(xiàn)有研究表明，膠原蛋白可以作為慶大霉素的生物可降解載體。在慶大霉素的體外釋放實驗表明在90min內(nèi)>95%，而膠原蛋白在隨后的8周內(nèi)降解[30]。這種載體的局限性主要是抗生素的釋放時間很短，而膠原蛋白降解需要很長的時間，死腔占位效果不明顯。

水凝膠由高含水量的親水性聚合物組成，作為抗生素載體在體外、臨床前模型和人體試驗中進行了研究。研究結果表明水凝膠裝載各種抗生素可以防止在骨科內(nèi)植物插入時被細菌定植[31]。一個以測試水凝膠負載抗生素的治療效果的大型金黃色葡萄球菌植入相關的綿羊骨髓炎動物模型實驗中[32]，該水凝膠與1%慶大霉素和4%萬古霉素交換使用可以成功地治療綿羊骨髓炎。在一項前瞻性、多中心、隨機的臨床試驗中，結合外科醫(yī)師選擇抗生素的喜好，如慶大霉素(62%)、萬古霉素(36%)或萬古霉素和美羅培南的組合(2%)，對透明質(zhì)酸水凝膠進行了研究。在閉合性骨折的患者中使用可以預防骨折內(nèi)固定術后的手術部位感染。在接受抗生素負載水凝膠的手術中，手術部位感染的發(fā)生率為0%，而接受當前標準治療的手術部位感染的發(fā)生率為5%，說明抗生素負載水凝膠是可靠的[33]。這些結果強調(diào)了該載體在預防感染方面的作用，當開放性骨折的風險較高時，這一作用可能會更加突出。

噬菌體是自然界存在的病毒，是細菌的專性病原體，最早于1915年被描述[26]。前蘇聯(lián)進行了相關研究，但隨著1945年青霉素的發(fā)現(xiàn)，其在西方世界的臨床應用已被廣泛放棄[34]。而多重耐藥菌的出現(xiàn)以及對抗生素進一步開發(fā)的需求使噬菌體療法重新得到關注。噬菌體療法正在成為治療多重耐藥菌感染的一種很有前景的療法，并作為一種搶救程序在FRI得到應用。

在任何感染性骨不連中，最快的治療方法是截肢。在疾病的治療過程中，截肢仍然可能是最終的選擇[35]。感染性骨缺損多因嚴重創(chuàng)傷及內(nèi)固定手術后感染反復發(fā)作引起。Ilizarov骨搬移技術依照張力-應力法則，由俄羅斯Ilizarov醫(yī)師于20世紀50年代首次提出，通過牽拉反復刺激促進軟組織及骨組織再生、修復和重塑，是骨缺損治療行之有效的手段[36]。Ilizarov術是目前最廣泛采用的骨重建方法，其局限性在于骨重建過程緩慢而痛苦，且面臨釘?shù)栏腥?、皮膚切割、關節(jié)僵硬或活動受限、斷釘斷針、關節(jié)不穩(wěn)、搬運端成骨不良、足下垂、力線不良等問題[37]。膜誘導技術由Masquelet首先提出,他曾對35例長骨骨缺損的患者采用骨水泥誘導成膜后取自體松質(zhì)骨移植填充缺損區(qū),取得了滿意的療效,此后這種技術在臨床上得到了廣泛應用[38]。傳統(tǒng)的Masquelet技術兩期治療均采用外固定支架，陸軍軍醫(yī)大學第一附屬醫(yī)院骨科謝肇教授等使用Masquelet技術在治療骨感染、骨缺損方面，取得良好的臨床療效，具有增加穩(wěn)定性、減少植骨量、避免軸線偏移等優(yōu)勢[39-41]。

4 展望

目前的文獻證明，徹底手術清創(chuàng)及其他局部抗生素治療，可以治療FRI。但FRI仍是骨科手術中的一大難點，隨著技術水平的不斷提高，使用可降解的骨替代物作為抗生素載體改變了治療理念，在解決骨感染方面取得了優(yōu)異的效果。盡管目前技術還有很多不足，但最近在有污染傷口的開放性骨折的共識指南[6]中建議增加局部和系統(tǒng)的抗生素預防。如果能在人體中篩查出感染易感基因，針對性的進行預防性治療，或研制出相關疫苗，將能極大地減輕患者心理和經(jīng)濟負擔。在不久的將來會涌現(xiàn)出更多的技術和理念，能夠更好地解決骨折相關感染這個“骨科的不死腫瘤”。