骨科植入物感染的發生及預防的研究進展

陳睿，田野，袁文，何海龍

(第二軍醫大學附屬長征醫院脊柱一科，上海 200003)

綜 述

骨科植入物感染的發生及預防的研究進展

陳睿，田野，袁文，何海龍*

(第二軍醫大學附屬長征醫院脊柱一科，上海 200003)

近年來，隨著骨科手術數量的增加，相關手術失敗也屢見不鮮。其中，由植入物相關感染引起的內固定失敗導致了翻修手術數量的增加，而45%的院內感染是由植入物感染發展而來[1]。目前臨床多采取6～8周靜脈用抗生素抗感染治療方案，但使用時長難以精確管理、目標部位抗生素濃度低、植入物表面或生物膜內的藥物難以達到有效濃度等缺點也很明顯，最終不得不行置換手術，加大了病患及社會的經濟負擔。因此，了解骨科植入物感染的發生以及預防的研究進展已成為植入物相關研究最重要的任務之一。

1 骨科植入物感染的發生

1.1 感染來源與易感因素 植入物表面、手術室、手術設備、手術醫生、患者自身、被污染的消毒劑及其他人的各種條件致病菌可經直接接觸、血行播散或內源性移位到達植入物表面。植入材料的特征和植入部位是影響感染發生的重要因素。高危因素患者的相對感染風險為正常人群的20倍。營養不良、肥胖、風濕性關節炎、糖尿病及免疫缺陷患者面臨更高的反復感染的風險。除此之外，復雜的外科手術及技術也易于并發感染[2]。

1.2 細菌的定植黏附 大量的研究證實，細菌的定植黏附是骨科植入物感染的起始因素。極性力、范德華力和疏水性在內的各種因素會共同調控細菌的初始黏附[3]。此過程的調控可分為兩期：一期為可逆性過程，由范德華力、氫鍵、靜電相互作用，疏水鍵、離子鍵等非特異性力量所維持，發生在最初接觸的1～2 h內；二期為非可逆性過程，莢膜多糖/黏附的多糖結構會導致初始黏附的形成[4]，發生在接觸的2～3 h后。例如，表皮葡萄球菌在聚合物表面的初始黏附由表面相關的自溶素AtlE所調節[5]。因此，植入物表面的細菌黏附是進一步形成生物膜的最重要因素。

1.3 細菌增殖及生物膜形成 一旦細菌黏附在植入物表面，便會進行細胞增殖和細胞間黏附，并開始分泌蛋白質、多糖、DNA等成分以形成生物膜[6]。生物膜主要以生物活性基質細胞和細胞外基質的形式共存于固體表面[7]。多糖黏附因子的多糖抗原介導細胞間黏附及細菌的聚集[8]，在植入物表面繁殖并形成多分子層的細胞簇，小菌落進一步發展成大菌落并被細胞外多糖基質封閉。通過細胞間信號傳導，胞外多糖會與植入物表面緊密結合，從而加速細菌的聚集，最終形成組織良好、構造完整的三維立體矩陣結構，即細菌生物膜[9]。生物膜達到臨界數量時便開始產生浮游細菌，并從營養物質稀少的定植區向富含營養物質的表面遷移，重新定植并重啟生物膜形成過程[10]。由于細菌自身產生的胞外聚合物所提供的保護及生物膜內細菌的生理改變，免疫系統及抗生素很難清除生物膜內的細菌，最終導致遷延不愈的植入物感染。

2 骨科植入物感染的預防

2.1 宣教及預防性使用抗生素 使用不規范的無菌操作、人員流動性大、熟練度差等因素增加了骨科植入物感染的發生率，通過加強操作考核、管理等手段可以阻斷細菌的黏附，從而降低感染發生率并減少醫療成本。圍手術期預防性使用抗生素有效地降低了手術部位的感染發生率，但是此種預防手段并未表現出預防優勢。

2.2 細菌噬菌體 作為一種病毒，細菌噬菌體可以通過感染細菌從而控制細菌生物膜的形成[11]。有學者通過體外實驗證實，由細菌噬菌體產生的多糖聚解酶能水解生物膜的基質成分。因此，通過組織工程促使細菌噬菌體釋放降解酶破壞生物膜并殺死生物膜基質和細胞是一種潛在的抗菌方法。

2.3 反義策略 理論上預防植入物感染可以通過阻止細菌生物膜的形成來實現。有學者研究證實葡萄球菌具有和黏附素家族的一類成員有關的編碼黏附及生物膜形成的特定基因，這類微生物表面組分即為反義策略的目標靶位，通過上述基因失活可以阻止細菌黏附和生物膜形成，但到目前為止，并未見成功報道[12]。

2.4 抗菌涂層的運用 Anthony Gristina在30年前首次提出“表面競爭”的概念，他闡述了一種植入物相關感染的簡易模型，即植入物的最終結局取決于宿主和細菌之間的相互競爭[13]。根據這種理論，當宿主細胞首先在植入物表面定植時，細菌黏附的可能性就會大大降低，反之亦然。由蛋白質膜生成的大量潛在的細菌黏附受體在植入物置入人體后立即占據其表面[14]，影響宿主細胞與植入物表面的接觸。因此，內植物表面抗菌能力克服植入物誘導的局部免疫反應缺陷、抑制細菌顯著的快速黏附及形成生物膜的能力正得到日益關注。

2.4.1 抗細菌黏附涂層 表面粗糙度、化學性能、親水性、表面能量或電勢分布、導電率等植入物的表面特征在細菌的黏附及生物膜的形成中起著至關重要的作用，而對現有生物材料的表層進行化學或物理改性會使細菌定植的易感性發生較大的改變。例如，紫外線照射可以增加二氧化鈦表面“自發”的親水性，進而抑制細菌黏附而不影響其成骨效應[15]。通過表面氧化層晶狀結構的修飾也可以賦予植入物表面抗細菌黏附的性能[16]。以親水性聚甲基丙烯酸、聚氧化乙烯或抗蛋白質黏附的聚乙二醇為代表的聚合物涂層，因為能夠顯著地抑制細菌的黏附而被運用在鈦合金植入體的表面[17]。疏水性及超疏水性表面處理技術在臨床前期研究中也展現出了強大的抗細菌黏附效能[18]。而一些特殊類型的蛋白質與細菌之間的相互作用也是一種抑制細菌黏附的有效策略[19]。Friedman等在兔模型上使用交聯白蛋白作為材料涂層，證實了在純鈦樣品上會出現細菌黏附的減少以及感染率的下降[20]。近年來，新的策略主要包括單層或多層膜的自組裝、表面接枝或凝膠、生物表面活性劑和抗細菌黏附兩性微生物的制備[21]。

2.4.2 釋放殺菌成分涂層

2.4.2.1 金屬離子抗菌劑 溶解銀陽離子是一種生物活性劑，主要通過干擾細胞膜的通透性及新陳代謝而發揮作用。銀還會導致活性氧的形成，可能影響原核細胞的其他機制相關。然而，銀離子毒性是一個不可忽視的問題[22]。盡管最近的對照研究顯示該涂層具有良好的臨床效果及安全性，但是常規使用銀離子涂層植入物仍然受到相當大的限制[23]。主要原因是其對骨細胞的毒性，影響植入物與骨組織之間的成骨效應。銅和鋅也具有強大的廣譜抗菌性能。這些金屬潛在的毒副作用仍需進一步觀察研究。對此提出的解決方案是使用銅-鋅納米材料或者選擇性釋放方法。

2.4.2.2 非金屬元素抗菌劑 非金屬元素如氫、氯、碘或氧，因其抗菌性而被廣泛應用于生物醫學中。硒元素能夠催化過氧化物自由基的形成并抑制細菌黏附和生存。硒納米顆粒能抑制細菌生長和生物膜的形成。臨床適用的碳物質也具有此類功能，如可以合成多功能分子層的石墨烯或碳納米管[24]。最近一項222例臨床病例研究顯示，碘涂層鈦合金具有良好的臨床抗菌效果[25]。

2.4.2.3 有機涂層 一些防腐劑如洗必泰、氯二甲苯酚、聚六亞甲基雙胍已被證實其抗菌性，并且是避免耐藥性的可供選擇之一。洗必泰在鈦表面可以吸附在二氧化鈦層上，并于數日內逐漸釋放[26]。部分有機化合物的抗菌性能可能與植入物表面所賦予的抗感染特性有關。大量的研究證實了表面共價抗生素涂層的有效性[27]。但此種共價結合力對弱外部刺激并不敏感，而該涂層的不穩定性、不能直接殺死植入物周圍的細菌等缺點也很明顯。對此，一些學者提出抗生素與其他化合物組合的單獨運用或者與特定的控釋機制相聯系的觀點[28]。

2.4.2.4 抗菌肽及殼聚糖抗菌劑 與宿主反應相關的抗菌肽、細胞因子或其他分子的植入物涂層屬于此類。實驗已經證實此類物質對多種病原體都具有殺菌效果[29]。抗菌肽通過破壞細胞壁和抑制細菌關鍵蛋白質的合成以實現其殺菌功能。此外，它們會對炎癥、組織愈合、凋亡時間等產生影響。而抗菌肽抵抗的報道遠遠少于抗生素。初步試驗表明，貼附于金屬合金表面的薄層抗菌肽對典型病原體具有良好的抗菌效果[30]。殼聚糖(chitosan，CS)是一種幾丁質衍生而來的聚陽離子型聚合物，具有抗細菌及抗真菌能力。有證據表明，CS衍生物可以緊密固定在鈦合金表面，無論是單獨還是與其他抗生素或抗菌肽物質相結合都具有抗菌作用[31]，但相關臨床報道仍不足。

2.4.2.5 其他抗菌涂層 多功能表面分子層、“智能涂層”屬于此類，如功能高分子刷涂料就聯合使用抗黏附、抗菌物質及其他化合物以增強骨整合[32]；“智能涂層”能對細菌存在的各種刺激敏感并作出反應，但仍需進一步的研究，并需克服可行的涂層生產、體內非損害反應、機械阻力及裝置使用壽命保護等問題[33]。

2.4.3 圍手術期局部抗菌涂層 植入物的防護可以通過在手術中于植入物表面或周圍負載可降解或不可降解的載體或涂層而實現。該涂層可能具有直接或協同抗菌作用，或僅提供一種或多種預載入抗菌藥物來實現局部抗菌作用。局部使用抗生素在骨科疾病治療中地位顯著。Buchholz等[34]首次在關節置換術中使用裝載有抗生素的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)骨水泥來達到局部抗生素預防的目的。臨床研究表明，此種抗生素負載的骨水泥與系統性抗生素運用方法相結合后能減少無菌性松動所造成的全髖關節置換術深部感染率及翻修率，特別是對高危患者來說[35]。但是抗生素負載的PMMA不能阻止生物膜的形成，從而使其僅適用于小部分人群，而這可能與抗生素抵抗的“小群體變異”的發生有關。而生物相容的水凝膠可能為替代解決方案，它能夠釋放局部藥物活性成分并滿足所需的洗脫模式，這種新穎的涂層技術顯示了內植物短期局部保護的特點[36]。短期局部釋放系統能夠滿足贏得表面競爭的需求，同時能夠限制副作用。這種由透明質酸及聚D，L-丙交酯共價連接組成的新穎且快速可吸收的凝膠涂層被設計用來在體內于48～72 h之內完成降解。它能夠完全釋放各種不同濃度集中在2%～10%的抗菌藥物，包括糖肽類、氨基糖苷類和氟喹諾酮類藥物。在體外試驗中，水凝膠顯示出與各種抗生素及抗生物膜成分的協同抗菌活性[37]；體內試驗中，在使用及未使用系統性預防抗生素的高度污染的兔植入物模型中也被證實有效[38]。一項正在進行的歐洲多中心臨床試驗目前正在調查該裝置的安全性和療效。

3 結論與展望

過去20年，大量的研究致力于尋求更好的阻礙細菌定植的預防措施。事實上，盡管各種涂層在臨床前期試驗中取得了非常成功的進步，但是在解決策略及實際臨床應用中仍存在明顯的差異。由于細胞毒性、免疫反應或基因毒性問題，大多數研究中的涂層并不適用于骨科植入物，而體內及體外試驗結果良好的涂層臨床應用也受限于生物技術、監管、成本以及醫學法等問題。完善政府、監管結構、行業領導者及醫療衛生出資方之間的協作可能會讓越來越多的患者受益于這些非常有前途的技術。綜合的分類及公用的語言能夠使合適的檢測及實際的監管要求達到標準化，從而使臨床前期研究過度到有效的患者防護中。

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1008-5572(2017)12-1095-04

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*本文通訊作者：何海龍

陳睿，田野，袁文，等.骨科植入物感染的發生及預防的研究進展[J].實用骨科雜志，2017，23(12)：1095-1098.

2017-05-23

陳睿(1990- )，男，醫師，第二軍醫大學附屬長征醫院脊柱一科，200003。