假體周圍感染的發(fā)病機制及診斷方法研究進展

楊天翔，張晉寧，張博文，程萌旗，陳德勝

(1.寧夏醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，銀川 750004； 2.上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院關(guān)節(jié)外科，上海 200233；3.寧夏醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院骨科，銀川 750004)

人工關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療中重度骨關(guān)節(jié)炎，提高患者生活質(zhì)量的理想手術(shù)方式，術(shù)后能有效緩解患者膝關(guān)節(jié)疼痛，恢復(fù)膝關(guān)節(jié)功能[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，我國2015年開展人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)近40萬臺，年增長速度達25%～30%[3]。假體周圍感染(periprosthetic joint infection，PJI)是人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后最多見也是最為嚴重的并發(fā)癥之一[4]，其發(fā)生率高于10%，嚴重影響患者的預(yù)后[5-6]。在美國，PJI已成為關(guān)節(jié)翻修最常見的原因[7]。雖然隨著外科手術(shù)的進步和無菌技術(shù)的發(fā)展，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后的感染率由以往的10%降至現(xiàn)在的1%～3%[8]，但隨著我國人口老齡化的加劇，老年患者增多，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的需求也進一步增加，術(shù)后發(fā)生PJI的患者也隨之增加。人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后PJI的發(fā)生將直接導(dǎo)致手術(shù)失敗，因此對PJI進行早期診斷、早期干預(yù)、早期治療尤為重要。目前，對于PJI臨床尚無特異性診斷方法，主要是通過病史采集、體格檢查、影像學(xué)檢查以及實驗室檢查等進行診斷?，F(xiàn)就PJI的發(fā)病機制及診斷方法研究進展予以綜述，以期為PJI的臨床診斷、治療提供新思路。

1 PJI的發(fā)病機制

一般認為，PJI是機體、致病菌及關(guān)節(jié)假體三者相互作用的結(jié)果。病原菌引起感染的途徑包括：①術(shù)中污染。主要是術(shù)中無菌操作不規(guī)范、手術(shù)時間較長引起的污染，致病菌可存在于關(guān)節(jié)假體表面或直接進入術(shù)區(qū)，進而引起感染。②其他部位的感染。致病菌通過其他部位的感染灶入血，最后經(jīng)血液循環(huán)到達手術(shù)部位引發(fā)PJI。③切口感染。手術(shù)切口愈合不良或發(fā)生感染，導(dǎo)致致病菌侵入關(guān)節(jié)假體周圍引發(fā)感染。④引流管的逆行感染。術(shù)后引流管護理不當(dāng)或放置時間過長會增加逆行感染的風(fēng)險。除以上因素外，生物膜也會導(dǎo)致PJI的發(fā)生。生物膜是指在人工關(guān)節(jié)假體表面形成的復(fù)雜微生物聚集體，是由生物大分子(蛋白質(zhì)、多糖、核酸、肽聚糖、脂和磷脂等)組成的復(fù)雜基質(zhì)，形成過程可分為4個階段，即黏附、增殖、成熟和脫離[9]。人工關(guān)節(jié)假體為細菌的附著和持續(xù)繁殖提供了適宜的條件和場所，細菌在生物膜中可免受宿主免疫反應(yīng)和抗菌藥物的作用[8]。雖然人工關(guān)節(jié)假體表面附著大量的致病菌，但臨床反應(yīng)卻很輕微，而實驗室常規(guī)細菌培養(yǎng)也常顯示為陰性，這可能會導(dǎo)致大量PJI誤診為“無菌性松動”。

2 PJI的診斷指標和診斷技術(shù)

2.1診斷指標

2.1.1白細胞介素(interleukin，IL)-6和C反應(yīng)蛋白(C-reactive protein，CRP) 炎癥標志物IL-6和CRP是反映機體感染的有效指標，其診斷PJI的靈敏度高于80%，但特異性較差，易受其他因素影響，對于鑒別PJI與無菌性松動存在爭議[5,10-11]。黃澤曉和邢柏[12]選取253例人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后PJI后行翻修手術(shù)的患者進行研究，結(jié)果顯示PJI患者血清和滑液中IL-6及滑液中CRP水平均明顯高于非PJI患者，三者均與人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后PJI獨立相關(guān)，且三者水平均明顯升高診斷PJI的靈敏度和特異度分別為89.2%和83.7%，提示三者聯(lián)合診斷人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后PJI的價值高于三者單獨診斷。近年來，IL-6在診斷PJI中的價值已被廣泛認可。研究表明，IL-6診斷PJI的價值高于CRP、紅細胞沉降率等傳統(tǒng)血液指標，可作為診斷PJI的輔助指標[10,13]。但何榮新等[14]認為，IL-6水平在術(shù)后早期波動比較大。在臨床工作中可聯(lián)合炎癥標志物，以提高診斷的準確性，但也應(yīng)注意IL-6和CRP受其他因素影響(如非感染性炎癥、其他部位的感染)而導(dǎo)致的假陽性。

2.1.2α-防御素及D-二聚體 近年來，α-防御素及D-二聚體診斷PJI的價值受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。王微等[15]的研究探究了α-防御素及D-二聚體在PJI診斷中的價值發(fā)現(xiàn)：與健康對照者相比，PJI患者血清α-防御素水平降低，而血清D-二聚體水平升高；術(shù)后早期血清α-防御素診斷PJI的靈敏度為90.6%，特異度為75.4%。與D-二聚體相比，α-防御素診斷PJI存在優(yōu)勢，其較傳統(tǒng)血液炎癥指標(CRP、紅細胞沉降率)更加穩(wěn)定和準確，不受血液污染和抗生素的影響，且更易檢測[16]。彭永剛等[17]的Meta分析顯示，α-防御素診斷PJI的靈敏度為96%，特異度為97%。Sigmund等[18]發(fā)現(xiàn)，與冰凍切片相比，關(guān)節(jié)滑液α-防御素診斷PJI的靈敏度較低，但特異性高。血清D-二聚體診斷PJI的靈敏度較低，不能滿足臨床診斷PJI的需求。黃金承等[19]研究認為，與傳統(tǒng)血液指標相比，血清D-二聚體診斷PJI的價值不高，且術(shù)后血清D-二聚體水平的升高并不是PJI發(fā)生的特異性指標[20]?？梢?，血清D-二聚體對于診斷PJI并無特殊優(yōu)勢，臨床工作中可將其與其他診斷指標聯(lián)合應(yīng)用，以提高診斷效能。

2.1.3降鈣素原 降鈣素原是降鈣素的前體肽，主要由神經(jīng)內(nèi)皮細胞和甲狀腺濾泡旁細胞產(chǎn)生[21]。生理情況下，降鈣素原在人體血清中以游離形式存在，其含量極低[22]。當(dāng)機體發(fā)生早期感染時，降鈣素原的水平會明顯升高，其升高水平與感染程度呈正相關(guān)[23]。因此，血清降鈣素原也可作為臨床檢測感染的標志物。關(guān)于降鈣素原對于PJI的診斷價值，不同學(xué)者觀點不同。朱道信等[24]發(fā)現(xiàn)，降鈣素原對人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后早期感染有重要診斷價值。金永合等[25]認為，血清降鈣素原診斷PJI的能力高于高敏CRP；而李忠法[26]則認為，降鈣素原無診斷PJI的價值。Xie等[27]的研究表明，降鈣素原診斷PJI的靈敏度僅為53%，特異度為92%?？梢姡碘}素原診斷PJI尚存在爭議，其臨床價值還有待進一步研究確認。

2.1.4CD64 CD64主要分布在中性粒細胞表面，生理情況下通常低表達。CD64在中性粒細胞表面大量表達提示機體炎癥反應(yīng)系統(tǒng)被激活，而此時淋巴細胞表面的CD64表達不變[28]。關(guān)節(jié)液CD64指數(shù)(中性粒細胞/淋巴細胞)升高提示感染，有助于PJI的診斷。秦磊磊[29]為評價關(guān)節(jié)液CD64指數(shù)在診斷PJI中的價值進行的前瞻性研究中發(fā)現(xiàn)，PJI組患者關(guān)節(jié)液CD64指數(shù)顯著高于無菌性松動組，其診斷PJI的靈敏度和特異度分別為92.0%和96.0%。因此，關(guān)節(jié)液CD64指數(shù)可作為篩選PJI的實驗室指標，同時也可作為鑒別PJI與無菌性松動的臨床指標。

2.1.5可溶性尿激酶型纖溶酶原激活物受體(soluble urokinase-type plasminogen activator receptor，suPAR) 尿激酶型纖溶酶原激活物受體是一種在炎癥和感染過程中釋放的糖蛋白。而suPAR是尿激酶型纖溶酶原激活物受體在細胞表面的蛋白水解產(chǎn)物[30]。在健康個體中，血清suPAR的水平較低且穩(wěn)定，當(dāng)免疫系統(tǒng)激活時血清suPAR水平升高，其血清水平可反映機體免疫系統(tǒng)的活躍程度[31]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，suPAR在腎臟疾病[32]、心臟疾病[33]等的診斷中具有巨大價值。同時，suPAR對PJI的診斷也具有較高價值，如劉建等[31]對53例PJI患者進行研究發(fā)現(xiàn)，血清suPAR水平在PJI患者中顯著升高，且與CRP、IL-1、IL-6等炎癥指標呈正相關(guān)，與Galliera等[30]研究結(jié)論相同。suPAR水平升高間接說明機體存在炎癥或感染。因此當(dāng)人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者血清suPAR水平升高，臨床可考慮PJI的可能。

2.2診斷技術(shù)

2.2.1聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction，PCR) 病原菌的識別在PJI的診治中至關(guān)重要。以往主要通過微生物培養(yǎng)識別病原菌，然而臨床無法診斷微生物培養(yǎng)結(jié)果為陰性的PJI患者，盡管已經(jīng)采用了更加優(yōu)良的檢測策略(超聲處理、長時間孵育以及改良培養(yǎng)基等)以提高檢出率，但效果仍不理想[34-35]。而近年新出現(xiàn)的PCR技術(shù)較傳統(tǒng)培養(yǎng)方法能更快、更靈敏地識別病原菌，且具有檢測不可培養(yǎng)微生物的優(yōu)勢，能提高感染診斷的準確性。雖然PCR技術(shù)較傳統(tǒng)培養(yǎng)技術(shù)具有一定優(yōu)勢，但也存在缺陷，如多重PCR不能鑒定超出預(yù)先設(shè)計范圍的病原體[36]，且敏感性較差[37]。Hischebeth等[38]的研究顯示，超聲處理液和關(guān)節(jié)液PCR檢測病原菌的靈敏度分別為50.0%和55.6%，特異度均為100.0%；兩者聯(lián)合診斷的靈敏度為66.7%，特異度為100.0%。此外，雖然PCR技術(shù)具有檢測大部分細菌的潛力，但其無法鑒定真菌和多重微生物感染，也無法將污染物與真正的感染微生物區(qū)分開[39]。因此，應(yīng)在進一步完善PCR技術(shù)后，再考慮將其用于PJI的診治。

2.2.2宏基因組新一代測序(metagenomics next generation sequencing，mNGS) mNGS作為近年新興起的檢測技術(shù)，在臨床的應(yīng)用越來越廣泛，尤其適用于急危重癥和疑難感染的診斷。mNGS可直接從臨床樣品中鑒定出罕見、新型、難以檢測和多重感染的病原體，為臨床提供新的診斷依據(jù)，且在耐藥基因檢測中具有巨大潛力，通過對病原菌耐藥基因進行測序，可在手術(shù)前確定病原微生物，有助于指導(dǎo)抗生素的使用。相較PCR等檢測技術(shù)，mNGS具有更多優(yōu)勢：①不依賴于傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)，能直接對臨床樣本中的DNA和RNA進行高通量測序；②在短時間內(nèi)即可檢測出樣本中的多種病原微生物(包括病毒、細菌、真菌、寄生蟲)；③能夠提供完整的微生物概況，無需進行靶向預(yù)擴增[40]。研究發(fā)現(xiàn)，mNGS在診斷復(fù)雜和嚴重感染(與血液感染[41]、呼吸道感染[42]、骨關(guān)節(jié)感染[43]以及腦炎[44]相關(guān)的感染等)方面顯示出巨大優(yōu)勢。Huang等[43]研究發(fā)現(xiàn)，mNGS檢測PJI患者滑液中病原體的靈敏度為95.9%，顯著高于其他培養(yǎng)法。mNGS可有效識別PJI患者滑液中的病原體，在PJI診斷中具有較高的準確性，而將mNGS與常規(guī)微生物培養(yǎng)結(jié)合可最大程度地提高病原體的檢出率。另有研究顯示，在常規(guī)培養(yǎng)結(jié)果為陰性感染的情況下，mNGS仍可識別滑液中的感染病原體[45]。但mNGS也存在一定不足，其無法將污染物與真正的感染微生物區(qū)分開。當(dāng)隨機指定某些病原體為污染物時，多種病原體在mNGS的檢測中存在假陰性[43]。Ivy等[46]也發(fā)現(xiàn)，在14例細菌培養(yǎng)結(jié)果為陽性的PJI病例中mNGS無法鑒定出病原體。因此，未來需要進一步研究和完善mNGS技術(shù)，以區(qū)分真正的感染病原體和污染物。

2.2.3熒光原位雜交(fluorescence in situ hybridization，F(xiàn)ISH) FISH技術(shù)是一種采用熒光標記的原位雜交方法，利用被熒光標記的核酸探針與目標序列雜交，形成雜交體，在熒光顯微鏡下可直接觀察目標序列。熒光顯微鏡分為普通熒光顯微鏡和共聚焦顯微鏡，前者用于觀察切片、涂片等臨床標本，而后者能夠立體地觀察樣本中的熒光分布情況[47]。PJI診斷和治療困難與其發(fā)病機制有關(guān)。在生物膜中，細菌附著在假體和假體周圍組織的表面，并建立了代謝率低、免受外界影響的生物膜群落。目前，通過普通方法難以檢測生物膜，但FISH技術(shù)可以觀察假體表面的生物膜以及細菌的分布情況[48]，其在PJI診斷中具有高敏感性和特異性，能直觀顯示生物膜的形態(tài)及細菌分布情況，可檢測多細菌感染和耐藥基因，具有檢測快、操作便捷等特點[49]，即使細菌受抗生素影響處于低活性狀態(tài)，F(xiàn)ISH技術(shù)仍具有良好的敏感性[50]。此外，在微生物檢測方面，F(xiàn)ISH技術(shù)也具有明顯優(yōu)勢。然而，F(xiàn)ISH技術(shù)也存在缺陷：①在檢測生長緩慢的細菌時，由于核糖體數(shù)量少，檢測出的熒光信號低，不利于觀察；②由于不同細菌對FISH探針的滲透性不同，對革蘭陽性菌(如金黃色葡萄球菌)的溶菌酶處理時可能會導(dǎo)致革蘭陰性菌完全裂解。相反，侵襲性較低的透化技術(shù)可能會使革蘭陽性菌不被染色，而導(dǎo)致不被發(fā)現(xiàn)，造成檢測不全[43]。鑒于FISH探針對革蘭陽性和陰性菌處理后會產(chǎn)生不同的結(jié)果，可造成革蘭陰性菌完全裂解或革蘭陽性菌不被染色，可能與實際結(jié)果有差異，易造成誤診、漏診。

3 小 結(jié)

近年來，隨著外科手術(shù)技術(shù)的進步和無菌技術(shù)的發(fā)展，PJI的發(fā)生率已明顯降低，但由于開展人工關(guān)節(jié)置換術(shù)數(shù)量的增加，術(shù)后PJI仍不容忽視。臨床上，早期預(yù)防和早期診斷是治療PJI的關(guān)鍵。對于PJI的診斷，不同情況下應(yīng)考慮不同的診斷指標，還可聯(lián)合多種診斷指標共同診斷以提高診斷的準確性。對于因人工關(guān)節(jié)假體表面生物膜形成而導(dǎo)致細菌培養(yǎng)結(jié)果陰性的患者，應(yīng)考慮使用mNGS和FISH技術(shù)等檢測病原菌，為臨床診斷提供依據(jù)，指導(dǎo)抗生素的使用。但各檢測技術(shù)也有其局限性，因此應(yīng)靈活選用不同的檢測技術(shù)。近年來出現(xiàn)了一些針對PJI發(fā)病機制的基礎(chǔ)研究，包括抑制生物膜的形成和破壞生物膜的完整性等，雖然研究尚處于基礎(chǔ)階段，但其對于PJI的診斷、病原菌的識別及早期治療具有重要意義。