假体周围感染的发病机制及诊断方法研究进展

杨天翔，张晋宁，张博文，程萌旗，陈德胜

(1.宁夏医科大学临床医学院，银川 750004； 2.上海交通大学附属第六人民医院关节外科，上海 200233；3.宁夏医科大学总医院骨科，银川 750004)

人工关节置换术是治疗中重度骨关节炎，提高患者生活质量的理想手术方式，术后能有效缓解患者膝关节疼痛，恢复膝关节功能[1-2]。据统计，我国2015年开展人工关节置换手术近40万台，年增长速度达25%～30%[3]。假体周围感染(periprosthetic joint infection，PJI)是人工关节置换术后最多见也是最为严重的并发症之一[4]，其发生率高于10%，严重影响患者的预后[5-6]。在美国，PJI已成为关节翻修最常见的原因[7]。虽然随着外科手术的进步和无菌技术的发展，人工关节置换术后的感染率由以往的10%降至现在的1%～3%[8]，但随着我国人口老龄化的加剧，老年患者增多，人工关节置换术的需求也进一步增加，术后发生PJI的患者也随之增加。人工全膝关节置换术后PJI的发生将直接导致手术失败，因此对PJI进行早期诊断、早期干预、早期治疗尤为重要。目前，对于PJI临床尚无特异性诊断方法，主要是通过病史采集、体格检查、影像学检查以及实验室检查等进行诊断。现就PJI的发病机制及诊断方法研究进展予以综述，以期为PJI的临床诊断、治疗提供新思路。

1 PJI的发病机制

一般认为，PJI是机体、致病菌及关节假体三者相互作用的结果。病原菌引起感染的途径包括：①术中污染。主要是术中无菌操作不规范、手术时间较长引起的污染，致病菌可存在于关节假体表面或直接进入术区，进而引起感染。②其他部位的感染。致病菌通过其他部位的感染灶入血，最后经血液循环到达手术部位引发PJI。③切口感染。手术切口愈合不良或发生感染，导致致病菌侵入关节假体周围引发感染。④引流管的逆行感染。术后引流管护理不当或放置时间过长会增加逆行感染的风险。除以上因素外，生物膜也会导致PJI的发生。生物膜是指在人工关节假体表面形成的复杂微生物聚集体，是由生物大分子(蛋白质、多糖、核酸、肽聚糖、脂和磷脂等)组成的复杂基质，形成过程可分为4个阶段，即黏附、增殖、成熟和脱离[9]。人工关节假体为细菌的附着和持续繁殖提供了适宜的条件和场所，细菌在生物膜中可免受宿主免疫反应和抗菌药物的作用[8]。虽然人工关节假体表面附着大量的致病菌，但临床反应却很轻微，而实验室常规细菌培养也常显示为阴性，这可能会导致大量PJI误诊为“无菌性松动”。

2 PJI的诊断指标和诊断技术

2.1诊断指标

2.1.1白细胞介素(interleukin，IL)-6和C反应蛋白(C-reactive protein，CRP) 炎症标志物IL-6和CRP是反映机体感染的有效指标，其诊断PJI的灵敏度高于80%，但特异性较差，易受其他因素影响，对于鉴别PJI与无菌性松动存在争议[5,10-11]。黄泽晓和邢柏[12]选取253例人工关节置换术后PJI后行翻修手术的患者进行研究，结果显示PJI患者血清和滑液中IL-6及滑液中CRP水平均明显高于非PJI患者，三者均与人工关节置换术后PJI独立相关，且三者水平均明显升高诊断PJI的灵敏度和特异度分别为89.2%和83.7%，提示三者联合诊断人工关节置换术后PJI的价值高于三者单独诊断。近年来，IL-6在诊断PJI中的价值已被广泛认可。研究表明，IL-6诊断PJI的价值高于CRP、红细胞沉降率等传统血液指标，可作为诊断PJI的辅助指标[10,13]。但何荣新等[14]认为，IL-6水平在术后早期波动比较大。在临床工作中可联合炎症标志物，以提高诊断的准确性，但也应注意IL-6和CRP受其他因素影响(如非感染性炎症、其他部位的感染)而导致的假阳性。

2.1.2α-防御素及D-二聚体 近年来，α-防御素及D-二聚体诊断PJI的价值受到国内外学者的广泛关注。王微等[15]的研究探究了α-防御素及D-二聚体在PJI诊断中的价值发现：与健康对照者相比，PJI患者血清α-防御素水平降低，而血清D-二聚体水平升高；术后早期血清α-防御素诊断PJI的灵敏度为90.6%，特异度为75.4%。与D-二聚体相比，α-防御素诊断PJI存在优势，其较传统血液炎症指标(CRP、红细胞沉降率)更加稳定和准确，不受血液污染和抗生素的影响，且更易检测[16]。彭永刚等[17]的Meta分析显示，α-防御素诊断PJI的灵敏度为96%，特异度为97%。Sigmund等[18]发现，与冰冻切片相比，关节滑液α-防御素诊断PJI的灵敏度较低，但特异性高。血清D-二聚体诊断PJI的灵敏度较低，不能满足临床诊断PJI的需求。黄金承等[19]研究认为，与传统血液指标相比，血清D-二聚体诊断PJI的价值不高，且术后血清D-二聚体水平的升高并不是PJI发生的特异性指标[20]。可见，血清D-二聚体对于诊断PJI并无特殊优势，临床工作中可将其与其他诊断指标联合应用，以提高诊断效能。

2.1.3降钙素原 降钙素原是降钙素的前体肽，主要由神经内皮细胞和甲状腺滤泡旁细胞产生[21]。生理情况下，降钙素原在人体血清中以游离形式存在，其含量极低[22]。当机体发生早期感染时，降钙素原的水平会明显升高，其升高水平与感染程度呈正相关[23]。因此，血清降钙素原也可作为临床检测感染的标志物。关于降钙素原对于PJI的诊断价值，不同学者观点不同。朱道信等[24]发现，降钙素原对人工关节置换术后早期感染有重要诊断价值。金永合等[25]认为，血清降钙素原诊断PJI的能力高于高敏CRP；而李忠法[26]则认为，降钙素原无诊断PJI的价值。Xie等[27]的研究表明，降钙素原诊断PJI的灵敏度仅为53%，特异度为92%。可见，降钙素原诊断PJI尚存在争议，其临床价值还有待进一步研究确认。

2.1.4CD64 CD64主要分布在中性粒细胞表面，生理情况下通常低表达。CD64在中性粒细胞表面大量表达提示机体炎症反应系统被激活，而此时淋巴细胞表面的CD64表达不变[28]。关节液CD64指数(中性粒细胞/淋巴细胞)升高提示感染，有助于PJI的诊断。秦磊磊[29]为评价关节液CD64指数在诊断PJI中的价值进行的前瞻性研究中发现，PJI组患者关节液CD64指数显著高于无菌性松动组，其诊断PJI的灵敏度和特异度分别为92.0%和96.0%。因此，关节液CD64指数可作为筛选PJI的实验室指标，同时也可作为鉴别PJI与无菌性松动的临床指标。

2.1.5可溶性尿激酶型纤溶酶原激活物受体(soluble urokinase-type plasminogen activator receptor，suPAR) 尿激酶型纤溶酶原激活物受体是一种在炎症和感染过程中释放的糖蛋白。而suPAR是尿激酶型纤溶酶原激活物受体在细胞表面的蛋白水解产物[30]。在健康个体中，血清suPAR的水平较低且稳定，当免疫系统激活时血清suPAR水平升高，其血清水平可反映机体免疫系统的活跃程度[31]。近年来研究发现，suPAR在肾脏疾病[32]、心脏疾病[33]等的诊断中具有巨大价值。同时，suPAR对PJI的诊断也具有较高价值，如刘建等[31]对53例PJI患者进行研究发现，血清suPAR水平在PJI患者中显著升高，且与CRP、IL-1、IL-6等炎症指标呈正相关，与Galliera等[30]研究结论相同。suPAR水平升高间接说明机体存在炎症或感染。因此当人工关节置换术后患者血清suPAR水平升高，临床可考虑PJI的可能。

2.2诊断技术

2.2.1聚合酶链反应(polymerase chain reaction，PCR) 病原菌的识别在PJI的诊治中至关重要。以往主要通过微生物培养识别病原菌，然而临床无法诊断微生物培养结果为阴性的PJI患者，尽管已经采用了更加优良的检测策略(超声处理、长时间孵育以及改良培养基等)以提高检出率，但效果仍不理想[34-35]。而近年新出现的PCR技术较传统培养方法能更快、更灵敏地识别病原菌，且具有检测不可培养微生物的优势，能提高感染诊断的准确性。虽然PCR技术较传统培养技术具有一定优势，但也存在缺陷，如多重PCR不能鉴定超出预先设计范围的病原体[36]，且敏感性较差[37]。Hischebeth等[38]的研究显示，超声处理液和关节液PCR检测病原菌的灵敏度分别为50.0%和55.6%，特异度均为100.0%；两者联合诊断的灵敏度为66.7%，特异度为100.0%。此外，虽然PCR技术具有检测大部分细菌的潜力，但其无法鉴定真菌和多重微生物感染，也无法将污染物与真正的感染微生物区分开[39]。因此，应在进一步完善PCR技术后，再考虑将其用于PJI的诊治。

2.2.2宏基因组新一代测序(metagenomics next generation sequencing，mNGS) mNGS作为近年新兴起的检测技术，在临床的应用越来越广泛，尤其适用于急危重症和疑难感染的诊断。mNGS可直接从临床样品中鉴定出罕见、新型、难以检测和多重感染的病原体，为临床提供新的诊断依据，且在耐药基因检测中具有巨大潜力，通过对病原菌耐药基因进行测序，可在手术前确定病原微生物，有助于指导抗生素的使用。相较PCR等检测技术，mNGS具有更多优势：①不依赖于传统微生物培养，能直接对临床样本中的DNA和RNA进行高通量测序；②在短时间内即可检测出样本中的多种病原微生物(包括病毒、细菌、真菌、寄生虫)；③能够提供完整的微生物概况，无需进行靶向预扩增[40]。研究发现，mNGS在诊断复杂和严重感染(与血液感染[41]、呼吸道感染[42]、骨关节感染[43]以及脑炎[44]相关的感染等)方面显示出巨大优势。Huang等[43]研究发现，mNGS检测PJI患者滑液中病原体的灵敏度为95.9%，显著高于其他培养法。mNGS可有效识别PJI患者滑液中的病原体，在PJI诊断中具有较高的准确性，而将mNGS与常规微生物培养结合可最大程度地提高病原体的检出率。另有研究显示，在常规培养结果为阴性感染的情况下，mNGS仍可识别滑液中的感染病原体[45]。但mNGS也存在一定不足，其无法将污染物与真正的感染微生物区分开。当随机指定某些病原体为污染物时，多种病原体在mNGS的检测中存在假阴性[43]。Ivy等[46]也发现，在14例细菌培养结果为阳性的PJI病例中mNGS无法鉴定出病原体。因此，未来需要进一步研究和完善mNGS技术，以区分真正的感染病原体和污染物。

2.2.3荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization，FISH) FISH技术是一种采用荧光标记的原位杂交方法，利用被荧光标记的核酸探针与目标序列杂交，形成杂交体，在荧光显微镜下可直接观察目标序列。荧光显微镜分为普通荧光显微镜和共聚焦显微镜，前者用于观察切片、涂片等临床标本，而后者能够立体地观察样本中的荧光分布情况[47]。PJI诊断和治疗困难与其发病机制有关。在生物膜中，细菌附着在假体和假体周围组织的表面，并建立了代谢率低、免受外界影响的生物膜群落。目前，通过普通方法难以检测生物膜，但FISH技术可以观察假体表面的生物膜以及细菌的分布情况[48]，其在PJI诊断中具有高敏感性和特异性，能直观显示生物膜的形态及细菌分布情况，可检测多细菌感染和耐药基因，具有检测快、操作便捷等特点[49]，即使细菌受抗生素影响处于低活性状态，FISH技术仍具有良好的敏感性[50]。此外，在微生物检测方面，FISH技术也具有明显优势。然而，FISH技术也存在缺陷：①在检测生长缓慢的细菌时，由于核糖体数量少，检测出的荧光信号低，不利于观察；②由于不同细菌对FISH探针的渗透性不同，对革兰阳性菌(如金黄色葡萄球菌)的溶菌酶处理时可能会导致革兰阴性菌完全裂解。相反，侵袭性较低的透化技术可能会使革兰阳性菌不被染色，而导致不被发现，造成检测不全[43]。鉴于FISH探针对革兰阳性和阴性菌处理后会产生不同的结果，可造成革兰阴性菌完全裂解或革兰阳性菌不被染色，可能与实际结果有差异，易造成误诊、漏诊。

3 小 结

近年来，随着外科手术技术的进步和无菌技术的发展，PJI的发生率已明显降低，但由于开展人工关节置换术数量的增加，术后PJI仍不容忽视。临床上，早期预防和早期诊断是治疗PJI的关键。对于PJI的诊断，不同情况下应考虑不同的诊断指标，还可联合多种诊断指标共同诊断以提高诊断的准确性。对于因人工关节假体表面生物膜形成而导致细菌培养结果阴性的患者，应考虑使用mNGS和FISH技术等检测病原菌，为临床诊断提供依据，指导抗生素的使用。但各检测技术也有其局限性，因此应灵活选用不同的检测技术。近年来出现了一些针对PJI发病机制的基础研究，包括抑制生物膜的形成和破坏生物膜的完整性等，虽然研究尚处于基础阶段，但其对于PJI的诊断、病原菌的识别及早期治疗具有重要意义。