噬菌體療法防治關(guān)節(jié)假體周圍感染研究進展

程子梁 吳偉山 王象鵬 尹紀光

關(guān)節(jié)假體周圍感染（PJI）是關(guān)節(jié)置換術(shù)后最嚴重的并發(fā)癥[1]。韓國髖、膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后PJI 發(fā)生率為2.3%～2.8%，且PJI 發(fā)病有持續(xù)增長的趨勢[2]。有研究預測，2030 年美國髖、膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后PJI相關(guān)年度住院費用總額將高達18.5 億美元[3]。一項不完全統(tǒng)計顯示，我國因PJI 導致的翻修率約為0.96%[4]。盡管全球范圍內(nèi)PJI 預防水平和理念不斷提高，但PJI 的總體發(fā)病率仍有上升趨勢[5-6]。PJI的治療方法主要有保留假體清創(chuàng)術(shù)、一期翻修術(shù)、二期翻修術(shù)[7]，其治療失敗與慢性感染、患者自身免疫受損及抗生素耐藥性相關(guān)[8]，抗生素耐藥性和細菌表面生物膜是導致后期治療失敗的主要原因[9]。美國傳染病學會指南建議通過二期翻修術(shù)治療頑固性PJI[10]。雖然二期翻修術(shù)作為PJI 治療的“金標準”，但在臨床中治療失敗率高達28%[8]。細菌病原體抗生素耐藥性、假體周圍細菌生物膜產(chǎn)生對PJI 治療具有重大威脅，給臨床醫(yī)生帶來諸多困擾，因此迫切需要有效的治療方案。

噬菌體是侵襲細菌的病毒，也是賦予宿主細菌生物學性狀的遺傳物質(zhì)[11]。噬菌體應用廣泛，可以用于分子生物學研究、細菌鑒定和分型、檢測和控制致病菌等。噬菌體在宿主細胞中生長繁殖，能夠引起致病菌裂解，降低致病菌密度，從而減少或避免致病菌感染，達到治療和預防疾病的目的[12-14]。噬菌體是地球上最豐富和最多樣化的生物體，其代謝和運行機制也具有多樣性，在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用[15]。

1 PJI 的細菌發(fā)病機制

PJI 主要是由于術(shù)中污染或術(shù)后血行傳播導致，最常見的致病菌是金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌[16-17]。無菌操作不規(guī)范和手術(shù)時間較長都可能污染術(shù)區(qū)，從而引起PJI[18]。術(shù)后血行感染是指致病菌入血，通過血液循環(huán)到達術(shù)區(qū)，進而導致細菌定居繁殖。糖尿病、肥胖、吸煙、低蛋白血癥、免疫功能低下等都是導致PJI 的高危因素[19-20]。

生物膜是覆蓋假體周圍的三維復雜微生物群落，它是PJI 病程中致病菌、人體、假體三者相互作用的結(jié)果。生物膜由細胞外聚合物組成，主要由多糖、蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)構(gòu)成，不同致病菌的生物膜表型可能不同[21]。生物膜形成經(jīng)歷了黏附、增殖、成熟和脫離4 個過程。致病菌先黏附到假體表面，然后細菌聚集，細胞外聚合物產(chǎn)生，增殖成微菌落，再進一步重塑，最終成熟為大菌落[22]；細菌繁殖不斷消耗營養(yǎng)物質(zhì)和積累代謝廢物，再從成熟的生物膜中脫離，然后擴散到其他地方，形成新的生物膜[23]。生物膜形成會干擾宿主免疫系統(tǒng)，抑制巨噬細胞的吞噬作用，使致病菌更易入侵[24]。隨著感染逐步加重，骨質(zhì)不斷丟失，最終引起竇道形成、假體松動及功能喪失。有學者強調(diào)假體磨損與感染的關(guān)聯(lián)性，認為需研制優(yōu)質(zhì)抗菌和耐磨的假體來減少PJI 發(fā)生[25]。

2 噬菌體治療PJI 的機制

從裂解細菌機制來識別，噬菌體可分為烈性噬菌體和溫和性噬菌體兩種。溫和性噬菌體可將自身DNA 或RNA 整合到宿主細菌的DNA 上，當宿主細菌DNA 復制時，通過參與其復制影響相關(guān)蛋白表達，從而達到清除細菌的目的[26]。烈性噬菌體在復制后期可表達穿孔素和溶菌酶，通過穿孔素與溶菌酶相互作用，特異性裂解細菌。穿孔素為一種疏水性蛋白，裂解過程開始后穿孔素在胞質(zhì)膜上打孔，使裂解酶接觸細菌的細胞壁并水解肽聚糖骨架的共價鍵，破壞細胞壁，從而達到裂解宿主菌的目的[27-29]。

噬菌體治療PJI 的機制涉及噬菌體與致病細菌之間的相互作用和噬菌體自身的生物學特性。噬菌體在感染細菌時，可以通過以下方面發(fā)揮清除細菌的作用。①選擇性寄生。噬菌體具有高度專一性，只能感染特定靶細菌，特異性殺死細菌與耐藥菌株[29]。②細胞定位與繁殖。噬菌體具有“智能識別”功能，可以通過識別致病菌表面的受體，將基因組注射至致病菌內(nèi)部，利用細菌內(nèi)部原料進行繁殖，釋放更多的噬菌體[30]。③免疫刺激。宿主免疫反應也可以在生物膜破壞中發(fā)揮作用。噬菌體可以誘導致病菌的免疫反應，包括炎癥反應和細胞凋亡，從而促進致病菌清除[31]。④生物膜滲透。噬菌體分泌的多糖解聚酶能夠有效裂解細菌生物膜，從而使細菌易被免疫識別和清除。Newberry 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，噬菌體能阻止生物膜形成，并破壞由這些菌株產(chǎn)生的生物膜。噬菌體使用后繼續(xù)進行抗生素治療被稱作序貫療法，此方法對侵襲和破壞細菌生物膜的效果更佳，噬菌體能夠有效地穿透生物膜，抗生素能更好地清除暴露的細菌[33]。Morris等[34]報道，將萬古霉素、噬菌體與萬古霉素聯(lián)合分別用于金屬假體PJI 動物模型的治療，結(jié)果顯示噬菌體與萬古霉素聯(lián)合組的滅菌效果約是萬古霉素組的4.5 倍。

3 噬菌體防治PJI

假體周圍所形成的細菌生物膜能抵擋抗生素侵蝕與免疫攻擊，如果治療方式不當，可能發(fā)展為慢性感染或全身性感染，嚴重者可危急生命。研究顯示，無論是否進行手術(shù)干預，較長時間的使用抗生素可能對PJI 的預后不佳，容易產(chǎn)生較多的不良反應[35]。噬菌體可以在PJI 防治中發(fā)揮重要作用。

3.1 預防PJI

3.1.1 應用于植入物

在骨水泥中混合噬菌體或用噬菌體涂覆假體可防止PJI 發(fā)生。在用噬菌體包被植入物時，可以選擇單個噬菌體或噬菌體混合物。Sosa 等[36]將特異性噬菌體與萬古霉素組合用于小鼠假體，結(jié)果顯示假體周圍組織減少，植入物表面的細菌負荷降低。Kaur 等[37]將涂有特異性噬菌體和抗生素的克氏針植入小鼠關(guān)節(jié)假體周圍，結(jié)果顯示細菌黏附明顯較少，關(guān)節(jié)周圍相關(guān)炎癥較輕。因此，使用噬菌體與抗生素涂覆植入物可以降低植入物感染風險，成為預防PJI 的有效措施。

3.1.2 消毒與無菌換藥

創(chuàng)面形成后，皮膚構(gòu)成的人體天然屏障遭到破壞，人體組織可能受到細菌等微生物的侵襲，導致更為嚴重的感染和組織損傷。研究發(fā)現(xiàn)，術(shù)后創(chuàng)面血腫、淺表手術(shù)部位感染、傷口引流不暢和傷口不愈合等都會增加PJI 發(fā)生的風險[38]。有研究使用含有噬菌體成分的凝膠和噴霧劑噴灑皮膚與創(chuàng)面，結(jié)果顯示其具有較強的殺菌活性，可加快創(chuàng)面愈合[39]。臨床上可以在手術(shù)前涂抹術(shù)區(qū)來去除致病微生物，用來預防關(guān)節(jié)置換術(shù)后的PJI。術(shù)后換藥時，用噬菌體混合物消毒可以有效減少靶細菌。因此，噬菌體對創(chuàng)面的恢復有積極影響，理論上可以減少PJI 發(fā)生的風險。

3.2 治療PJI

3.2.1 保留假體

對于早期PJI，有組織推薦保留假體的清創(chuàng)術(shù)聯(lián)合足量有效抗生素（DAIR）作為主要治療手段[40-41]。Ferry 等[42]使用關(guān)節(jié)鏡技術(shù)進行DAIR 治療，局部注射特異性噬菌體與抗生素的混合物治療1例致病菌為銅綠假單胞菌的膝關(guān)節(jié)PJI 高齡患者，感染得到有效控制，并稱此療法為“Phage DAIR”。Cano 等[43]治療1 例肺炎克雷伯桿菌為主要致病菌的膝關(guān)節(jié)PJI 患者，通過40 次靜脈注射特異性噬菌體，同時使用抗生素，假體并未取出，最后局部癥狀和感染體征消退，膝關(guān)節(jié)功能恢復。因此，噬菌體可以作為抗生素佐劑治療耐藥菌引起的PJI，為不能耐受翻修術(shù)的患者帶來一線曙光。

3.2.2 聯(lián)合清創(chuàng)翻修

髖及膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)中，噬菌體混合物聯(lián)合使用可以取得顯著療效。Doub 等[44]采用二期翻修術(shù)治療1 例耐甲氧西林金黃色葡萄球菌膝關(guān)節(jié)PJI，使用含萬古霉素和妥布霉素的間隔物進行曠置，在手術(shù)結(jié)束時，將2 種噬菌體溶于10 mL 生理鹽水配成雞尾酒局部直接沖洗使用，術(shù)后使用妥布霉素、噬菌體同時溶于50 mL 生理鹽水中靜脈滴注，最后獲得成功。Cesta 等[45]使用上述類似方法治愈了1 例慢性銅綠假單胞菌髖部PJI 的患者。Ramirez-Sanchez 等[46]報道了1 例膝關(guān)節(jié)假體翻修術(shù)后再次慢性感染的病例，使用上述方案，達到了臨床治愈，避免了膝關(guān)節(jié)融合與截肢。

4 存在的問題

4.1 噬菌體敏感性

每個噬菌體都有宿主范圍，這個宿主范圍是由噬菌體對特定細菌細胞表面附著受體的親和力決定的[47]。只有噬菌體對一些宿主細菌敏感時，才具有強大的消除生物膜和裂解代謝細菌的能力，并不是所有噬菌體都可以用作PJI 治療劑[48]。因此，監(jiān)測治療過程中細菌敏感性尤為重要。

4.2 噬菌體活性

噬菌體活性決定了臨床療效，在使用之前要確保噬菌體治療劑對宿主細菌的裂解活性。在治療PJI 時，通常采用從關(guān)節(jié)中穿刺取得并培養(yǎng)的細菌，然后檢測其裂解活性，最常見的試驗是噬菌體誘導的生長抑制實驗[49]。

4.3 宿主細菌對噬菌體的耐藥性

在治療過程中，宿主細菌可通過改變或抑制自身受體表達來產(chǎn)生對噬菌體的抗性。有研究證明，噬菌體耐藥性少見，但靜脈使用比局部使用能夠誘導更強的體液免疫應答，可能產(chǎn)生耐藥性[50]。

5 結(jié)語

目前PJI 治療多依賴抗生素，但抗生素耐藥性又很棘手。未來噬菌體療法很可能成為解決抗生素耐藥問題的有效方法。它在感染性和非感染性疾病的預防和輔助治療中均有廣泛應用前景，從基礎研究向臨床轉(zhuǎn)化勢在必行。目前我國尚未有應用于PJI 的相關(guān)案例報道，國外多為個案報道。由于缺乏大規(guī)模、隨機性、可控的研究，很難評估噬菌體治療PJI 的不良反應和潛在影響，但目前的研究結(jié)果表明，噬菌體療法并無明顯不良反應，其有效性和安全性仍需進一步研究。