假體周圍感染的發(fā)病機(jī)制及診斷方法研究進(jìn)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(jì)，我國(guó)2015年開(kāi)展人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)近40萬(wàn)臺(tái)，年增長(zhǎng)速度達(dá)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(jiàn)也是最為嚴(yán)重的并發(fā)癥之一[4]，其發(fā)生率高于10%，嚴(yán)重影響患者的預(yù)后[5-6]。在美國(guó)，PJI已成為關(guān)節(jié)翻修最常見(jiàn)的原因[7]。雖然隨著外科手術(shù)的進(jìn)步和無(wú)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(guó)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(jìn)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(duì)PJI進(jìn)行早期診斷、早期干預(yù)、早期治療尤為重要。目前，對(duì)于PJI臨床尚無(wú)特異性診斷方法，主要是通過(guò)病史采集、體格檢查、影像學(xué)檢查以及實(shí)驗(yàn)室檢查等進(jìn)行診斷。現(xiàn)就PJI的發(fā)病機(jī)制及診斷方法研究進(jìn)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(jī)制

一般認(rèn)為，PJI是機(jī)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(wú)菌操作不規(guī)范、手術(shù)時(shí)間較長(zhǎng)引起的污染，致病菌可存在于關(guān)節(jié)假體表面或直接進(jìn)入術(shù)區(qū)，進(jìn)而引起感染。②其他部位的感染。致病菌通過(guò)其他部位的感染灶入血，最后經(jīng)血液循環(huán)到達(dá)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(hù)理不當(dāng)或放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加逆行感染的風(fēng)險(xiǎn)。除以上因素外，生物膜也會(huì)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(guò)程可分為4個(gè)階段，即黏附、增殖、成熟和脫離[9]。人工關(guān)節(jié)假體為細(xì)菌的附著和持續(xù)繁殖提供了適宜的條件和場(chǎng)所，細(xì)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(shí)驗(yàn)室常規(guī)細(xì)菌培養(yǎng)也常顯示為陰性，這可能會(huì)導(dǎo)致大量PJI誤診為“無(wú)菌性松動(dòng)”。

2 PJI的診斷指標(biāo)和診斷技術(shù)

2.1診斷指標(biāo)

2.1.1白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-6和C反應(yīng)蛋白(C-reactive protein，CRP) 炎癥標(biāo)志物IL-6和CRP是反映機(jī)體感染的有效指標(biāo)，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(duì)于鑒別PJI與無(wú)菌性松動(dòng)存在爭(zhēng)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(jìn)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(dú)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(jià)值高于三者單獨(dú)診斷。近年來(lái)，IL-6在診斷PJI中的價(jià)值已被廣泛認(rèn)可。研究表明，IL-6診斷PJI的價(jià)值高于CRP、紅細(xì)胞沉降率等傳統(tǒng)血液指標(biāo)，可作為診斷PJI的輔助指標(biāo)[10,13]。但何榮新等[14]認(rèn)為，IL-6水平在術(shù)后早期波動(dòng)比較大。在臨床工作中可聯(lián)合炎癥標(biāo)志物，以提高診斷的準(zhǔn)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(yáng)性。

2.1.2α-防御素及D-二聚體 近年來(lái)，α-防御素及D-二聚體診斷PJI的價(jià)值受到國(guó)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(jià)值發(fā)現(xiàn)：與健康對(duì)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(shì)，其較傳統(tǒng)血液炎癥指標(biāo)(CRP、紅細(xì)胞沉降率)更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確，不受血液污染和抗生素的影響，且更易檢測(cè)[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(rèn)為，與傳統(tǒng)血液指標(biāo)相比，血清D-二聚體診斷PJI的價(jià)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(biāo)[20]。可見(jiàn)，血清D-二聚體對(duì)于診斷PJI并無(wú)特殊優(yōu)勢(shì)，臨床工作中可將其與其他診斷指標(biāo)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(xì)胞和甲狀腺濾泡旁細(xì)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(jī)體發(fā)生早期感染時(shí)，降鈣素原的水平會(huì)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(cè)感染的標(biāo)志物。關(guān)于降鈣素原對(duì)于PJI的診斷價(jià)值，不同學(xué)者觀點(diǎn)不同。朱道信等[24]發(fā)現(xiàn)，降鈣素原對(duì)人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后早期感染有重要診斷價(jià)值。金永合等[25]認(rèn)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(rèn)為，降鈣素原無(wú)診斷PJI的價(jià)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%。可見(jiàn)，降鈣素原診斷PJI尚存在爭(zhēng)議，其臨床價(jià)值還有待進(jìn)一步研究確認(rèn)。

2.1.4CD64 CD64主要分布在中性粒細(xì)胞表面，生理情況下通常低表達(dá)。CD64在中性粒細(xì)胞表面大量表達(dá)提示機(jī)體炎癥反應(yīng)系統(tǒng)被激活，而此時(shí)淋巴細(xì)胞表面的CD64表達(dá)不變[28]。關(guān)節(jié)液CD64指數(shù)(中性粒細(xì)胞/淋巴細(xì)胞)升高提示感染，有助于PJI的診斷。秦磊磊[29]為評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)液CD64指數(shù)在診斷PJI中的價(jià)值進(jìn)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(wú)菌性松動(dòng)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(shí)驗(yàn)室指標(biāo)，同時(shí)也可作為鑒別PJI與無(wú)菌性松動(dòng)的臨床指標(biāo)。

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(guò)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(xì)胞表面的蛋白水解產(chǎn)物[30]。在健康個(gè)體中，血清suPAR的水平較低且穩(wěn)定，當(dāng)免疫系統(tǒng)激活時(shí)血清suPAR水平升高，其血清水平可反映機(jī)體免疫系統(tǒng)的活躍程度[31]。近年來(lái)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(jià)值。同時(shí)，suPAR對(duì)PJI的診斷也具有較高價(jià)值，如劉建等[31]對(duì)53例PJI患者進(jìn)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(biāo)呈正相關(guān)，與Galliera等[30]研究結(jié)論相同。suPAR水平升高間接說(shuō)明機(jī)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(shí)別在PJI的診治中至關(guān)重要。以往主要通過(guò)微生物培養(yǎng)識(shí)別病原菌，然而臨床無(wú)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(cè)策略(超聲處理、長(zhǎng)時(shí)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(shí)別病原菌，且具有檢測(cè)不可培養(yǎng)微生物的優(yōu)勢(shì)，能提高感染診斷的準(zhǔn)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(shì)，但也存在缺陷，如多重PCR不能鑒定超出預(yù)先設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)大部分細(xì)菌的潛力，但其無(wú)法鑒定真菌和多重微生物感染，也無(wú)法將污染物與真正的感染微生物區(qū)分開(kāi)[39]。因此，應(yīng)在進(jìn)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(cè)序(metagenomics next generation sequencing，mNGS) mNGS作為近年新興起的檢測(cè)技術(shù)，在臨床的應(yīng)用越來(lái)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(jiàn)、新型、難以檢測(cè)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(cè)中具有巨大潛力，通過(guò)對(duì)病原菌耐藥基因進(jìn)行測(cè)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(cè)技術(shù)，mNGS具有更多優(yōu)勢(shì)：①不依賴于傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)，能直接對(duì)臨床樣本中的DNA和RNA進(jìn)行高通量測(cè)序；②在短時(shí)間內(nèi)即可檢測(cè)出樣本中的多種病原微生物(包括病毒、細(xì)菌、真菌、寄生蟲(chóng))；③能夠提供完整的微生物概況，無(wú)需進(jìn)行靶向預(yù)擴(kuò)增[40]。研究發(fā)現(xiàn)，mNGS在診斷復(fù)雜和嚴(yán)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(shì)。Huang等[43]研究發(fā)現(xiàn)，mNGS檢測(cè)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(shí)別PJI患者滑液中的病原體，在PJI診斷中具有較高的準(zhǔn)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(shí)別滑液中的感染病原體[45]。但mNGS也存在一定不足，其無(wú)法將污染物與真正的感染微生物區(qū)分開(kāi)。當(dāng)隨機(jī)指定某些病原體為污染物時(shí)，多種病原體在mNGS的檢測(cè)中存在假陰性[43]。Ivy等[46]也發(fā)現(xiàn)，在14例細(xì)菌培養(yǎng)結(jié)果為陽(yáng)性的PJI病例中mNGS無(wú)法鑒定出病原體。因此，未來(lái)需要進(jìn)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(biāo)記的原位雜交方法，利用被熒光標(biāo)記的核酸探針與目標(biāo)序列雜交，形成雜交體，在熒光顯微鏡下可直接觀察目標(biāo)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(biāo)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(jī)制有關(guān)。在生物膜中，細(xì)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(guò)普通方法難以檢測(cè)生物膜，但FISH技術(shù)可以觀察假體表面的生物膜以及細(xì)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(xì)菌分布情況，可檢測(cè)多細(xì)菌感染和耐藥基因，具有檢測(cè)快、操作便捷等特點(diǎn)[49]，即使細(xì)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(cè)方面，F(xiàn)ISH技術(shù)也具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，F(xiàn)ISH技術(shù)也存在缺陷：①在檢測(cè)生長(zhǎng)緩慢的細(xì)菌時(shí)，由于核糖體數(shù)量少，檢測(cè)出的熒光信號(hào)低，不利于觀察；②由于不同細(xì)菌對(duì)FISH探針的滲透性不同，對(duì)革蘭陽(yáng)性菌(如金黃色葡萄球菌)的溶菌酶處理時(shí)可能會(huì)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(huì)使革蘭陽(yáng)性菌不被染色，而導(dǎo)致不被發(fā)現(xiàn)，造成檢測(cè)不全[43]。鑒于FISH探針對(duì)革蘭陽(yáng)性和陰性菌處理后會(huì)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(yáng)性菌不被染色，可能與實(shí)際結(jié)果有差異，易造成誤診、漏診。

3 小 結(jié)

近年來(lái)，隨著外科手術(shù)技術(shù)的進(jìn)步和無(wú)菌技術(shù)的發(fā)展，PJI的發(fā)生率已明顯降低，但由于開(kāi)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(duì)于PJI的診斷，不同情況下應(yīng)考慮不同的診斷指標(biāo)，還可聯(lián)合多種診斷指標(biāo)共同診斷以提高診斷的準(zhǔn)確性。對(duì)于因人工關(guān)節(jié)假體表面生物膜形成而導(dǎo)致細(xì)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(cè)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(cè)技術(shù)也有其局限性，因此應(yīng)靈活選用不同的檢測(cè)技術(shù)。近年來(lái)出現(xiàn)了一些針對(duì)PJI發(fā)病機(jī)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(duì)于PJI的診斷、病原菌的識(shí)別及早期治療具有重要意義。