王勇平張懷斌謝瑞敏陶貴彥侯衛(wèi)華劉小榮
(1.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院骨科,蘭州 730000;2.西北民族大學(xué),蘭州 730000)
人工關(guān)節(jié)置換術(shù)(joint replacement)是治療終末期關(guān)節(jié)疾病(疼痛、畸形及功能障礙)最有效的手段,可顯著改善患者生活質(zhì)量。然而,關(guān)節(jié)假體周?chē)腥?peri-prosthetic joint infection,PJI)是關(guān)節(jié)置換術(shù)常見(jiàn)的并發(fā)癥,也是導(dǎo)致關(guān)節(jié)置換手術(shù)失敗的常見(jiàn)原因之一[1-4]。目前,關(guān)節(jié)假體周?chē)腥镜脑\斷和治療仍然是骨科的一大難題,其主要原因是關(guān)節(jié)假體周?chē)腥镜牟≡鷷?huì)形成細(xì)菌生物膜,建立合適的動(dòng)物模型是深入研究人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染的基礎(chǔ)[5-6]。PJI動(dòng)物模型最初是由Schurman等[7]在1975年提出和設(shè)計(jì)的,將不銹鋼顆粒和金黃色葡萄球菌植入兔髕骨上囊,而不是植入骨中,此方法無(wú)法模擬骨-水泥-假體界面。1985年P(guān)etty等[8]把不同種類(lèi)的細(xì)菌(金黃色葡萄球菌、大腸桿菌)注射到狗的股骨遠(yuǎn)端髓腔,分別用不銹鋼合金、鈷鉻合金、高密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯聚合等材料假體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。盡管像狗這樣的大型動(dòng)物擁有與人類(lèi)相似的肌肉骨骼和免疫系統(tǒng),可以很好地模擬人類(lèi)膝關(guān)節(jié)的環(huán)境,但由于倫理、經(jīng)濟(jì)成本等條件限制,在以后的PJI模型中,研究人員更傾向于選擇兔子、大鼠和小鼠等。2010年Bernthal等[9]采用了同樣的方法,將不銹鋼克氏針逆行插入小鼠股骨遠(yuǎn)端建立PJI模型。髓腔內(nèi)植入物最初是為了模仿TKA術(shù)后的PJI,但實(shí)際上混淆了骨髓炎模型和PJI模型。然而由于其操作的簡(jiǎn)單性和可重復(fù)性,許多研究人員仍然使用該方法進(jìn)行PJI建模。但是與目前TKA中常用的鈦合金材料相比,不銹鋼承重能力有限,而且沒(méi)有使用骨水泥固定假體;雖然最小感染劑量很低,但它不能完全復(fù)制假體周?chē)沫h(huán)境,這些因素都影響了假體表面生物膜的形成。Bernthal等[9]也認(rèn)為術(shù)中未切除的股骨和脛骨軟骨可能與致病菌相互作用。在2005年Craig等[10]在兔膝關(guān)節(jié)外側(cè)副韌帶前側(cè)股骨髁鉆孔,依次植入0.1 mL骨水泥、全螺紋不銹鋼空心釘和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)墊圈,材料位于膝關(guān)節(jié)外側(cè),只能承受垂直方向的壓應(yīng)力,不能承受旋轉(zhuǎn)應(yīng)力;此外該實(shí)驗(yàn)沒(méi)有分離髓腔和關(guān)節(jié)腔,術(shù)中沒(méi)有移除關(guān)節(jié)軟骨,這些都限制了其在未來(lái)的進(jìn)一步應(yīng)用。2017年Carli等[11]首次將鈦合金3D打印脛骨假體應(yīng)用于PJI小鼠模型,描述了一種基于由關(guān)節(jié)底板和髓內(nèi)莖組成的壓貼合鈦脛骨種植體的小鼠模型,在手術(shù)時(shí)使用金黃色葡萄球菌關(guān)節(jié)內(nèi)接種。雖然該模型具有植入物負(fù)重表面的優(yōu)點(diǎn),但可能不能準(zhǔn)確代表延遲發(fā)病、低水平PJI的臨床特征,血液培養(yǎng)仍為陰性,全身炎癥標(biāo)志物通常在正常范圍內(nèi)[12]。
利用鈦合金假體行新西蘭兔全膝關(guān)節(jié)置換術(shù),更類(lèi)似于目前在TKA中使用的材料和技術(shù),更利于手術(shù)膝關(guān)節(jié)局部低水平PJI的建立和持續(xù),為診治人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體周?chē)腥咎峁?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物
48只健康清潔級(jí)成年新西蘭兔,體重3.0~3.5 kg,購(gòu)于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州獸醫(yī)研究所,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施許可證【SYXK(甘)2020-0009】,動(dòng)物生產(chǎn)許可證【SCXK(甘)2020-0001】,動(dòng)物飼養(yǎng)條件:溫度20~26℃,濕度40%~70%,光照周期12 h/12 h,動(dòng)物自由采食和飲水。本研究符合蘭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)所制定的倫理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)(倫理審批號(hào):LDYYLL2020-40);實(shí)驗(yàn)過(guò)程中按照2006年中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部《關(guān)于善待實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的指導(dǎo)性意見(jiàn)》進(jìn)行[13]。
1.1.2 分組
將48只新西蘭兔隨機(jī)分成3組,實(shí)驗(yàn)組(假體周?chē)腥窘M)、對(duì)照組(假體未感染組)及空白對(duì)照組(假手術(shù)組),每組各16只。實(shí)驗(yàn)組行左膝關(guān)節(jié)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后7 d于新西蘭兔關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射0.5 mL金黃色葡萄球菌液;對(duì)照組行左膝關(guān)節(jié)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后7 d于新西蘭兔關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射0.5 mL生理鹽水;空白對(duì)照組只進(jìn)行左膝關(guān)節(jié)囊切開(kāi)縫合術(shù),未植入假體,術(shù)后7 d未進(jìn)行任何處理。
1.1.3 主要試劑與儀器
3%胰蛋白胨大豆肉湯瓊脂培養(yǎng)皿(北京路橋公司),3%胰蛋白胨大豆肉湯培養(yǎng)基(北京路橋公司),0.4%結(jié)晶紫染料(武漢Servicebio公司),鹽酸氯胺酮注射液(福建古田藥業(yè)有限公司),鹽酸塞拉嗪(吉林省華牧動(dòng)物保健品有限公司),注射用青霉素鈉(每支800 000 U,山東魯抗醫(yī)藥股份有限公司),DR成像系統(tǒng)(荷蘭Philips數(shù)字化X線成像系統(tǒng))。
1.1.4 細(xì)菌及菌液配置
實(shí)驗(yàn)用菌株為金黃色葡萄球菌ATCC25923,由甘肅省第二人民醫(yī)院檢驗(yàn)科提供。將細(xì)菌接種于血瓊脂培養(yǎng)皿中,放于37℃溫箱培養(yǎng)24 h后,挑取單個(gè)菌落用無(wú)菌0.8%Nacl溶液配置濃度為1×107CFU/mL的菌懸液,用此濁儀確定其濃度。
1.2.1 全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)
術(shù)前1 d 10%硫化鈉溶液脫毛備皮,術(shù)前4 h禁食、禁水,術(shù)中用鹽酸塞拉嗪(4 mg/kg)和氯胺酮(8 mg/kg)肌肉注射麻醉[14]。
本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)軟件為Delphi 7.0;數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)為oracle 9i;輔助處理系統(tǒng)為office2003Photoshop 6.0。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)選用:Windows9x2000NTXP或更高級(jí)的操作系統(tǒng)都可以安全運(yùn)行本系統(tǒng)。
麻醉平穩(wěn)后常規(guī)消毒鋪巾,取左膝正中縱切口長(zhǎng)約3 cm,逐層切開(kāi)皮膚及皮下組織,髕旁內(nèi)側(cè)縱行切開(kāi)髕旁組織及關(guān)節(jié)囊,顯露關(guān)節(jié)腔,外翻髕骨并屈曲膝關(guān)節(jié),切除內(nèi)外側(cè)半月板、前交叉韌帶,依次對(duì)脛骨、股骨進(jìn)行截骨和適度擴(kuò)髓后植入關(guān)節(jié)假體,最后沖洗切口逐層縫合,包扎固定患肢,l周后隨意活動(dòng)。空白對(duì)照組在相同的條件下行左膝關(guān)節(jié)囊切開(kāi),不植入假體,縫合關(guān)節(jié)囊(圖1)。
圖1 假體植入Figure 1 Prosthesis implantation
術(shù)后預(yù)防性使用40萬(wàn)單位青霉素,肌肉注射,每天1次共3 d,術(shù)后每3 d換藥1次,14 d拆除傷口縫線。
1.2.2 細(xì)菌接種
術(shù)后7 d,實(shí)驗(yàn)組于手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)經(jīng)髕韌帶外側(cè)緣,緊貼髕骨下極向內(nèi)、后進(jìn)針,觸及假體后向腔內(nèi)注射0.5 mL金黃色葡萄球菌液(1×107CFU/mL),對(duì)照組以相同的方法于手術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射0.5 mL生理鹽水,空白對(duì)照組未做任何處理。
1.2.3 觀察指標(biāo)
(1)一般情況觀察:術(shù)后每天觀察新西蘭兔體溫、體重、精神狀態(tài)、步態(tài)及傷口愈合。
(2)影像學(xué)檢查:3組新西蘭兔于術(shù)后14、21 d,用鹽酸塞拉嗪(4 mg/kg)和氯胺酮(8 mg/kg)肌肉注射麻醉后進(jìn)行左側(cè)膝關(guān)節(jié)X線檢查。
(3)血液學(xué)檢查:分別于手術(shù)當(dāng)天及術(shù)后1、7、21 d,經(jīng)耳緣靜脈取血5 mL,行白細(xì)胞計(jì)數(shù)(WBC)、C反應(yīng)蛋白(CRP)及血沉(ESR)檢測(cè)。
(5)病理學(xué)檢查:術(shù)后21 d處新西蘭兔,取左側(cè)膝關(guān)節(jié),通過(guò)肉眼、光鏡觀察膝關(guān)節(jié)局部病理變化。
各組數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,利用SPSS 13.0軟件對(duì)各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同組內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)比較采用單因素方差,組間兩兩比較采用t檢驗(yàn),P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
實(shí)驗(yàn)組新西蘭兔術(shù)后21 d存活14只,1只于術(shù)后14 d死亡,1只于術(shù)后16 d死亡,存活率為87.5%;對(duì)照組及空白對(duì)照組新西蘭兔均無(wú)死亡。術(shù)后3 d 3組新西蘭兔精神狀態(tài)差;術(shù)后14 d實(shí)驗(yàn)組新西蘭兔精神狀態(tài)差、體重稍降低,對(duì)照組及空白對(duì)照組新西蘭兔精神狀態(tài)可、無(wú)體重降低;術(shù)后21 d實(shí)驗(yàn)組新西蘭兔術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)紅腫、皮溫較高,對(duì)照組及空白對(duì)照組新西蘭兔術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)無(wú)紅腫、皮溫正常(見(jiàn)圖2)。
圖2 關(guān)節(jié)腔注射細(xì)菌后2周Figure 2 2 weeks after injecting bacteria into the joint cavity
實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組新西蘭兔術(shù)后14、21 d X線片均顯示關(guān)節(jié)假體穩(wěn)定在位,未見(jiàn)假體松動(dòng),術(shù)后21 d實(shí)驗(yàn)組可見(jiàn)關(guān)節(jié)周?chē)浗M織腫脹,對(duì)照組及空白對(duì)照組關(guān)節(jié)周?chē)浗M織無(wú)明顯腫脹(見(jiàn)圖3)。
圖3 假體植入后3周X線Figure 3 X ray 3 weeks after prosthesis implantation
各組新西蘭兔手術(shù)當(dāng)天及術(shù)后1、7、21 d WBC、ESR、CRP結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果顯示術(shù)后21 d實(shí)驗(yàn)組WBC較對(duì)照組及空白對(duì)照組高(圖4A),具有顯著性差異(P<0.05);實(shí)驗(yàn)組ESR較對(duì)照組及空白對(duì)照組高(圖4B),具有顯著性差異(P<0.05);實(shí)驗(yàn)組CRP較對(duì)照組及空白對(duì)照組高(圖4C),具有顯著性差異(P<0.05)。
圖4 不同時(shí)期血液學(xué)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Note.A.Results of white blood cells at different stages before and after operation in each group.B.Results of erythrocyte sedimentation rate before and after operation in each group.C.C-reactive protein results of each group at different stages before and after operation.Compared with control group,a P<0.05.Figure 4 Results of hematological indexes in different periods
術(shù)后21 d實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)結(jié)果均為陽(yáng)性;對(duì)照組細(xì)菌培養(yǎng)陽(yáng)性1例,陰性15例;空白對(duì)照組細(xì)菌培養(yǎng)均為陰性(圖5)。
圖5 關(guān)節(jié)腔注射細(xì)菌后2周細(xì)菌培養(yǎng)菌落及細(xì)菌培養(yǎng)革蘭染色(×100)Figure 5 2 weeks after intracavitary injection of bacteria,bacterial culture colonies and Gram staining were observed(×100)
術(shù)后21 d實(shí)驗(yàn)組新西蘭兔術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)滑膜腫脹,關(guān)節(jié)腔內(nèi)及假體周?chē)梢?jiàn)大量膿液,行HE染色:關(guān)節(jié)假體周?chē)M織見(jiàn)大量炎性細(xì)胞浸潤(rùn),假體周?chē)w維組織增生較明顯,可見(jiàn)擴(kuò)張、充血的小血管;對(duì)照組及空白對(duì)照組新西蘭兔術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)及假體周?chē)梢?jiàn)少許透明液體,行HE染色:假體周?chē)梢?jiàn)輕度纖維組織增生,未見(jiàn)炎性細(xì)胞浸潤(rùn)。
關(guān)節(jié)假體周?chē)腥臼顷P(guān)節(jié)置換術(shù)常見(jiàn)的并發(fā)癥,也是關(guān)節(jié)置換手術(shù)失敗的常見(jiàn)原因之一[1-4]。目前,關(guān)節(jié)假體周?chē)腥镜脑\斷和治療仍然是骨科的一大難題,其主要原因是關(guān)節(jié)假體周?chē)腥镜牟≡鷷?huì)形成細(xì)菌生物膜[5-6]。
細(xì)菌生物膜是以細(xì)菌為生態(tài)群落,被包裹在其自身分泌的多聚物中所形成的一種膜狀菌落結(jié)構(gòu)[17],其形成過(guò)程主要包括4個(gè)階段,即:定植階段、聚集階段、成熟階段、脫落與再定植階段,其中細(xì)菌生物膜形成最關(guān)鍵的階段是定植階段,在此階段多糖蛋白復(fù)合物首先將細(xì)菌包裹形成膜狀物,然后牢固附著在假體表面[18];當(dāng)細(xì)菌以固著形定植在假體表面時(shí),生物膜便進(jìn)入聚集與成熟階段,此時(shí)細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖的同時(shí)分泌大量胞外聚合物聚集細(xì)菌,成熟的細(xì)菌生物膜表面存在一些通道,表層細(xì)菌通過(guò)這些通道容易獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和排除代謝廢物,對(duì)抗菌藥敏感,擁有活躍的代謝狀態(tài),而里層細(xì)菌與外層細(xì)菌相反,不易獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和排除代謝廢物,代謝緩慢,處于“休眠狀態(tài)”,對(duì)抗菌藥不敏感[19];成熟的細(xì)菌生物膜在內(nèi)在機(jī)制或外部沖刷力等的作用下部分脫落或者釋放成為浮游狀態(tài),在新的部位定植形成新的細(xì)菌生物膜,導(dǎo)致感染的擴(kuò)散與復(fù)發(fā)。由于細(xì)菌生物膜形成過(guò)程的周而復(fù)始,使關(guān)節(jié)假體周?chē)腥镜牟≡瓕W(xué)診斷及治療面臨極大的困難。
目前認(rèn)為導(dǎo)致關(guān)節(jié)假體周?chē)腥镜牟≡赏ㄟ^(guò)2種途徑入侵,即直接浸潤(rùn)或血源傳播,其中經(jīng)血源性傳播導(dǎo)致假體周?chē)腥菊呒s占20%,而手術(shù)中細(xì)菌直接進(jìn)入傷口導(dǎo)致假體周?chē)腥菊吒哌_(dá)63%[20]。盡管人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體周?chē)腥緞?dòng)物模型細(xì)菌接種方法包括靜脈接種、即刻局部接種和延期局部接種,但本研究根據(jù)上述研究結(jié)果后選取術(shù)后7 d于關(guān)節(jié)腔內(nèi)直接注射適量致病菌模擬病原菌直接進(jìn)入關(guān)節(jié)腔導(dǎo)致關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體周?chē)腥尽?/p>
幾乎所有的細(xì)菌都可引起假體周?chē)腥尽H斯りP(guān)節(jié)假體植入后,可發(fā)生單一細(xì)菌感染,也可發(fā)生復(fù)合細(xì)菌感染。Fulkerson等[21]對(duì)146例THA和TKA翻修術(shù)后(共194個(gè)關(guān)節(jié),其中髖關(guān)節(jié)110個(gè),膝關(guān)節(jié)84個(gè))的臨床樣本進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng),其中金黃色葡萄球菌最常見(jiàn)(35%),其次是表皮葡萄球菌(31%)和鏈球菌(11%),故本實(shí)驗(yàn)使用金黃色葡萄球菌作為致病菌,建立人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后早期感染細(xì)菌模型。
由于關(guān)節(jié)腔注射的細(xì)菌濃度過(guò)高會(huì)引起模型動(dòng)物膿毒血癥,死亡率較高,若關(guān)節(jié)腔注射的細(xì)菌濃度過(guò)低則達(dá)不到假體周?chē)腥镜哪康?因此,研究者有不同的探索,Southwood等[22]在股骨的髓質(zhì)部分注入l×103CFU的金黃色葡萄球菌,THA術(shù)后所有兔的假體周?chē)腥?王子明等[23]利用1×l06CFU和1×l08CFU兩種劑量的MRSE進(jìn)行關(guān)節(jié)腔注射,1×l06CFU的細(xì)菌可造成兔股骨頭置換術(shù)后75%感染,而1×l08CFU的細(xì)菌可造成兔股骨頭置換術(shù)后100%感染;吳宇黎等[24]在關(guān)節(jié)腔內(nèi)接種1×104CFU的MRSE SL-76,導(dǎo)致TKA術(shù)后全部大鼠假體周?chē)腥?王志酬等[16]在關(guān)節(jié)腔內(nèi)接種5×105CFU的MRSA,TKA術(shù)后全部兔發(fā)生假體周?chē)腥?叢銳軍等[25]在關(guān)節(jié)腔內(nèi)接種1×105CFU的金黃色葡萄球菌,成功構(gòu)建穩(wěn)定的兔TKA術(shù)后假體周?chē)腥灸P汀?/p>
影像學(xué)檢查、血液學(xué)檢查、細(xì)菌學(xué)檢查及病理學(xué)檢都是診斷假體周?chē)腥镜姆椒?其中細(xì)菌培養(yǎng)是判斷感染是否存在的金標(biāo)準(zhǔn)。X線檢查是骨科最常用的檢查手段之一,然而在假體周?chē)腥驹缙谌狈Φ湫偷腦線改變,不能準(zhǔn)確反映感染的病理過(guò)程,因此X線對(duì)早期假體周?chē)腥驹\斷意義不大。血液學(xué)檢查簡(jiǎn)單、快速,是目前臨床上最常用的檢測(cè)方法[26]。假體周?chē)腥咀畛S玫难簩W(xué)實(shí)驗(yàn)室檢查是WBC、ESR、CRP和白細(xì)胞介素6(IL-6)等,其中WBC、CRP及ESR對(duì)感染診斷雖然有幫助,但都是非特異性的指標(biāo),WBC一般只對(duì)急性感染和引起全身癥狀時(shí)比較敏感,而在亞急性感染、慢性感染和低毒性感染時(shí)無(wú)意義;CRP和ESR常在關(guān)節(jié)置換術(shù)后即快速升高,ESR一般遲于CRP達(dá)到其峰值,其可能持續(xù)數(shù)個(gè)月,而在術(shù)后2個(gè)月內(nèi)CRP則可降到正常[27];如果術(shù)前CRP正常,術(shù)后3個(gè)月CRP仍高于正常或者下降后又上升,表明該患者存在關(guān)節(jié)假體周?chē)腥镜目赡?一般情況下CRP正常提示不存在感染,但也可能是由于抗菌藥物的應(yīng)用或低毒性細(xì)菌感染導(dǎo)致的假陰性;IL-6峰值出現(xiàn)在關(guān)節(jié)置換術(shù)后6~12 h,在術(shù)后48~72 h恢復(fù)正常[28],由于血液學(xué)指標(biāo)的非特異性,因此本研究采用多項(xiàng)血液學(xué)指標(biāo)測(cè)定,旨在探討利用血液學(xué)指標(biāo)檢測(cè)新西蘭兔全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染模型的效果[12]。本研究中將細(xì)菌培養(yǎng)作為判斷感染的唯一標(biāo)準(zhǔn),在實(shí)驗(yàn)中,將不同組織樣本放置于營(yíng)養(yǎng)肉湯中,放入37℃恒溫箱孵育24 h后接種于血瓊脂培養(yǎng)皿,繼續(xù)于37℃恒溫箱培養(yǎng)24~48 h,這樣大大降低了培養(yǎng)結(jié)果的假陰性率。
總之,細(xì)菌生物膜影響假體周?chē)腥镜脑\斷和治療,往往存在臨床提示感染但是細(xì)菌培養(yǎng)陰性的情況,使臨床醫(yī)生無(wú)法早期診斷并及時(shí)使用敏感抗生素治療[29]。因此,正確診斷引起假體周?chē)腥镜牟≡羌袤w周?chē)腥局委煶晒εc否的關(guān)鍵步驟之一。本研究結(jié)果表明新西蘭兔全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后7 d接種0.5 mL 1×107CFU的金黃色葡萄球菌可成功構(gòu)建假體周?chē)腥灸P?為人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染的診斷及治療提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù),并為進(jìn)一步研究人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染以及生物膜形成的機(jī)制提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)。