人工关节置换术后假体周围感染诊断的研究进展

刘 康综述，赵建宁审校

0 引 言

人工关节置换术后假体周围感染(prosthetic joint infection，PJI)作为人工关节置换术后最严重的并发症之一，其诊断及治疗至今仍是较为棘手的难题，尽管现今存在一系列PJI 诊断的生物学指标及实验室手段，但诊断临界值版本的众说纷纭及绝对金标准的缺乏使PJI 的诊断依旧困难。而临床常用的生物学指标间或存在高敏感性而低特异性的问题，如聚合酶链反应(polymerase phain reaction，PCR)［1］、红细胞沉降率(erythrocyte sedimentation rate，ESR)、C-反应蛋白(C-reactive protein，CRP)［2］等;或是高特异性而低敏感性，如革兰染色［3］、关节滑液白细胞计数［4］;还有一些指标诊断的准确性较低，如滑液乳酸脱氢酶含量、滑液葡萄糖含量、滑液总蛋白［5］。故文中结合近年来国内外关于PJI 诊断的一些新的生物学指标及实验室技术的研究进展重新予以阐述。

1 血清学指标

1.1 常规指标 血常规、CRP 和ESR 为临床中常用的实验室检查指标，已见报道的文章中关于白细胞计数及分类对于诊断PJI 的敏感性数值特异性高低不等，且低毒力的微生物感染其血象往往缺乏典型改变。Di Cesare 等［6］研究证实感染组与非感染组的CRP 和ESR 并无绝对的统计学差异，从而否定两者作为PJI 诊断特异性指标的价值。但CRP 和ESR 一直是临床上关节感染诊断筛查最常用的指标，在排除患者自身存在的其他可引起CRP 和ESR升高的疾病干扰后，若存在两者同时升高的情况，结合患者病史及临床表现后，应引起临床医师的高度重视。相比单次的CRP 和ESR 检查结果，其术前及术后多次数值的变化趋势对PJI 筛查具有更重要的意义。而当CRP 和ESR 检查值均正常时，关节感染的概率约为0，故CRP 和ESR 对于PJI 的初筛及阴性排除价值仍然是不可忽视的。

1.2 白细胞介素-6(interleukin-6，IL-6)和降钙素原 IL-6 是由184 个氨基酸构成的小分子多肽，是全身炎症反应综合征和脓毒症的早期敏感“警示”标志，由单核巨噬系统刺激产生，较其他常用血清学指标而言，IL-6 的显著理论优势在于其在人工关节置换术后当日即达到峰值水平(平均约15 h，远低于CRP 的62 h)并且迅速恢复到正常水平，故Tande等［7］认为IL-6 值的持续升高对于临床上早期诊断PJI 具有其不可替代的优势。Elgeidi 等［8］称若将IL-6 和CRP 结合，将会是PJI 筛查的完美组合，其敏感性和阴性预测值均高达100%。其次，由于临床症状的部分重叠，以及影像学表现的相似，一部分PJI 很难与假体松动区分。Randau 等［9］在研究了临床上常用的诊断PJI 的指标后，指出相比临床上常用的生物学指标血清IL-6 还具备可区分人工关节术后感染与假体置换术后松动的优异特质。

降钙素原作为降钙素的前体形式，正常人血清降钙素原＜1 ng/mL，但在机体受到细菌刺激如发生菌血症就会明显升高，且不同于其他全身性炎症指标如CRP、ESR 在病毒或真菌感染及自身免疫性疾病时也升高，降钙素原只在细菌感染时特异升高，使其成为诊断PJI 的一个可能的特异性生物学指标。Bottner 等［10］对78 例PJI 患者行血清降钙素原浓度测定，当降钙素原浓度设定为＞0.3 ng/mL，PJI 诊断的特异性可达98%，但敏感性仅33%，故其建议结合CRP 和IL-6 以提高诊断的敏感性。Shen 等［11］综合近几年降钙素原与关节感染疾病相关文献数据，在meta 分析中肯定了降钙素原在关节感染疾病诊断中的价值，但主要是针对骨髓炎及化脓性关节炎，并指出可根据血清降钙素原水平指导抗生素应用。故目前降钙素原对于PJI 的诊断价值尚意见不一。

1.3 其他潜在可能的血清学指标 Toll 样受体-2(toll-like receptor-2，TLR-2)作为TLR 家族成员之一，对革兰氏阳性及阴性菌具有广谱的识别能力，在机体受到病原体侵袭时，起到识别病原微生物，并参与机体炎症反应和修复受损组织的作用。可溶性尿激酶型纤溶酶原激活物受体(soluble urokinase-type plasminogen activator receptor，suPAR)是尿激酶型纤溶酶原激活物受体(urokinase-type plasminogen activator receptor，uPAR)从细胞表面脱落后溶于血液或组织液中的部分。uPAR 同样是机体在发生炎症和感染时，由白细胞及内皮细胞分泌的一种糖蛋白。作为一种膜受体，其在受到炎症及趋化因子刺激时剧烈上调，并在白细胞迁移、黏附、趋化，免疫激活，信号转导等过程发挥重要作用。Galliera 等［12-13］于2014年和2015 年通过对一定数量因感染或松动行人工关节翻修的患者进行血清suPAR 和TLR-2 测量，发现两者在PJI 患者血清中均明显升高，并与其他诊断PJI 的血清学指标如CRP、IL-6、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等具有高度的一致性，从而指出其作为诊断PJI 潜在指标的可能，但两者在PJI 的作用机制及诊断临界值的设定仍需进一步研究。

2 关节滑液指标

除系统升高的血清学指标外，感染关节局部也常会产生一些相关的炎症指标，大致可将其分为感染相关的细胞因子和具有抗菌作用的相关大分子蛋白两大类。前者包括IL-1β、IL-8、IL-17、TNF-α、干扰素-δ，这些炎症因子指标在PJI 患者的滑液中均有所增高，但特异性较差，在其他自身免疫性疾病如类风湿性关节炎时也会非特异性的升高，因此对PJI不具有特异性诊断的意义。后者特异性相对较高，包括滑液CRP、α-防御素、人-β-防御素-2、人-β-防御素-3、白细胞酯酶(leukocyte esterase，LE)、抗菌肽LL-37 等。

Ronde-Oustaua 等［14］最新研究发现关节液中的CRP 水平较血清CRP 更能有效的诊断膝关节乃至其他部位人工关节的感染，文章指出关节液中CRP水平与血清中CRP 水平具有高度的相关性和一致性，并且具有更高的效度，因而其对PJI 诊断的敏感性和特异性更高。当关节液中CRP ＞2.78 mg/L时，其诊断PJI 的敏感性为100%，特异性为82%;而如果将临界值设为＞5.37 mg/L 时，其诊断PJI 的敏感性为90%，特异性将提升至91%。

α-防御素是近来研究较为热门的诊断PJI 的滑液指标之一，是由关节腔内的中性粒细胞在受到致病菌刺激后产生的，据相关文献报道称其敏感性和特异性均较滑液CRP 高，当关节滑液α-防御素水平＞5.2 μg/mL 时，可获得97%的诊断敏感性和96%诊断特异性，并且还具备不受自身免疫性疾病如类风关及服用抗生素等因素干扰的优点［15］。Deirmengian 等［16］在进一步探索了α-防御素是否对于所有致病菌包括难测的厌氧菌均具有良好的反应性后，给出了肯定的结论，称α-防御素是美国骨科感染学会寻找的完美生物学指标。人-β-防御素-2、人-β-防御素-3 与α-防御素功能相近，但主要是对革兰阴性菌及假丝酵母菌反应性较好。

LE 是泌尿系统感染常规检查的指标之一，由中性粒细胞特异性分泌，通过试纸比色的方法进行定性分析，操作简便易行，于是一些学者通过类比开始研究滑液中的LE 对于诊断PJI 的应用价值，并发现其是一个较好的生物学指标。Colvin 等［17］研究表明，LE 作为滑液指标诊断PJI 的敏感性约为100%，特异性也高达97%，且其对于关节感染疾病的阴性预测值也是100%，是一个可靠的筛查指标。但未能对LE 进行精确定量，且临床研究的样本量较小(57 例)，故对于LE 仍需进一步深入研究。

抗菌肽LL-37 是隶属于抗菌肽家族的一员，可介导抑炎性免疫介质如IL-8 的生成，从而抑制细菌生物膜的产生，并参与调节机体炎症反应。Gollwitzer 等［18］研究表明LL-37 在PJI 患者关节滑液中的水平较正常人升高，其诊断PJI 的敏感性约为80%，特异性约85%，但暂无后续对其进一步的研究论证。

3 术前关节腔穿刺与培养

近年来，有关关节穿刺与培养的研究日益增多，但对于其术前诊断PJI 的价值却存在较大的分歧。见报道的研究数据中，敏感性的范围从0 ～100%，特异性从54%～100%［19］。但美国矫形外科医师学会及美国传染病学会认为关节穿刺及培养作为可疑PJI 患者的辅助检查手段及常规术前检查的价值是不可忽视的。它的细菌培养及药敏结果不仅可以在临床上指导关节感染患者抗生素的有针对性、个体化使用，也可指导术中载药骨水泥的抗生素选择。

多重因素导致关节穿刺与培养的低阳性率，如穿刺时皮肤细菌的污染、低毒力细菌感染、穿刺患者存在近期接受抗生素治疗的病史等，穿刺时的污染可予以避免，而其他因素只能依靠更加敏感的分子病原学的检测方法来解决。其次由于对关节滑液的处理措施不同是导致敏感性及特异性差异的主要原因，具体来说包括培养基的种类选择及培养周期2个方面。Minassian 等［20］和Hughes 等［21］的研究分别指出自动血培养瓶(BACTEC)较其他培养基，如直接培养基、富营养肉汤培养基具有更好的敏感性和特异性，且其需要最短的培养周期。对于那些低毒力细菌及厌氧菌如丙酸杆菌引起的感染，一般建议延长其培养周期至2 周，可提高其培养阳性率［22］。

4 影像学与核医学检查

对于PJI，传统的X 线片及CT 检查，若出现假体松动、局灶性骨溶解、髓腔内侧皮质骨吸收而出现透亮带、骨膜下骨质增生硬化或软组织条带状钙化时，应高度怀疑感染的可能，但此类表现多见于晚期PJI，且常和人工关节置换术后无菌性松动表现类似，故缺乏特异性;MRI 由于受假体材料及金属伪影的影响，限制了其在PJI 诊断上的应用。

故而核医学手段成了常规影像学检查良好的补充。最早临床上用于诊断假体置换术后感染的放射学标准是111In 标记白细胞扫描结合99mTc 胶体硫骨扫描，报道称其诊断准确性高达95%［23］。标记白细胞扫描对PJI 诊断具有良好的敏感性，但由于骨髓浓聚而缺乏特异性，临床上还受到其他非特异性感染及抗生素使用的干扰［24］。三相骨扫描作为临床上最常用的筛查PJI 的放射学手段，其敏感性很高，尤其是对人工髋关节感染诊断的敏感性更高，但特异性较差，很难鉴别与无菌性松动的差别［25］。

近年来，对18F-脱氧葡萄糖-正电子发射断层扫描(18F-FDG PET/CT)用于诊断PJI 的研究日益深入，因18F-FDG PET/CT 相较其他的核医学现象技术具有更高的空间分辨率，并且其对感染的敏感性可高达91%～100%，使其具有很高的临床应用前景，但其缺点还是特异性差，易受其他感染疾病如骨髓炎等的影响。故Aksoy 等［26］通过采用标记FDG的白细胞PET/CT 扫描来提高诊断特异性。通过实验作者得出数据，标记FDG 的白细胞PET/CT 对于诊断PJI 的敏感性、特异性、阳性预测值、阴性预测值分别为93.3%(14/15)、97.4%(38/39)、93.3%和97.4%。此外，18F-氟化钠-正电子发射断层扫描(18F-NaF PET/CT)对于鉴别PJI 与无菌性松动的价值亦尚在热议之中［27］。

5 术中组织病理学及细菌学检查

自1981 年Kamme 首次提出应用多处假体周围组织行组织病理学检查以提高PJI 诊断准确率以来，假体周围组织培养一直是PJI 临床诊断的金标准，并可根据药敏结果指导临床抗生素的使用，但其存在的假阳性及假阴性结果却是其不可否认的软肋。假阳性常是由于切口及窦道周围皮肤细菌污染引起;假阴性则是由于术前未能有效停用抗生素，低毒力细菌的感染，假体周围细菌生物膜的形成，术中标本的准确获取，标本处理的方法及培养所选用的培养基及诱导周期的不当等诸多因素均可导致假阴性［28］。

假阳性是由于人为操作的失误导致，可避免;假阴性才是真正的临床难题。近年来，针对低毒力细菌感染及抗生素使用等导致的培养低阳性率问题，PCR 的发展为研究者指引了新的方向;针对细菌生物膜形成问题，超声裂解液的出现可显著细菌培养的阳性率［29］;除术中准确获取组织标本外，标本的处理手段也不容小觑，以美国骨科感染学会界定的“在400 倍高倍镜视野下每个视野至少见到5个中性粒细胞”为病理学诊断标准，Kashima 等［30］通过对76 例关节置换术后发生感染或松动的患者的病理学研究发现氯乙酸酯酶染色(CAE 染色)与传统HE 染色相比对中性粒细胞具有更好的显影能力，计数更精确，并声称与PJI 比较，无菌性松动每高倍镜视野中性粒细胞均＜2 个，可为其两者鉴别提供参考;Drago 等［31］发现利用二硫苏糖醇预先处理组织标本可使细菌从生物膜上游离出来，且能保持细菌的活性不受损害，通过对一定数量的临床病例分析论证了其与超声裂解液的培养结果比较，不仅具有同样高的特异性(94.1%)，且具有更好的敏感性(85.7%vs 71.4%)，对表皮葡萄球菌培养的敏感性更佳。

术中假体周围组织快速冰冻切片检查亦是术中诊断PJI 的重要措施。Tsaras 等［32］在meta 分析中称其对于PJI 的阳性预测值常＞10，术中快速冰冻切片阳性基本可确定感染的发生;但阴性预测值较低，约0.2 ～0.3，即快速冰冻切片结果阴性亦不能排除PJI，与术中所取样本数量、取材位置有关。

6 细菌学检查新技术

6.1 超声裂解液培养 由于假体周围细菌生物膜的形成，传统实验室检查及术中假体周围软组织培养的敏感性及特异性较低。自1998 年Tunney 第1次将超声裂解液培养法用于PJI 诊断，显著提高了培养的敏感性，但特异性仍较差。此后很多学者对此项技术进行了深入探索及改良，加入了2 个重要步骤:①假体行超声裂解前先对假体进行涡流震荡，增加细菌生物膜从假体上的剥离;②在精密的聚丙烯容器进行超声裂解，从而大大减低污染率。经此改进，Trampuz 等［33］于2007 年在新英格兰杂志发表出了关于超声裂解液的里程碑式的论著研究，331例髋膝关节感染患者行超声裂解液培养的敏感性达79%(远较假体周围组织培养的61%高)，并且将特异性升至了99%，从而肯定了假体超声裂解液培养对于诊断PJI 的意义。近年来又有学者尝试引入第3个步骤，即将前两步所得超声裂解液进行离心浓缩，称可增加菌液的浓度从而提高培养阳性率。

相较传统PJI 诊断金标准假体周围组织培养，超声裂解液对诊断PJI 优点如下:①具有更高的培养敏感性，且对于术前未能有效停用抗生素的患者，超声裂解液培养可提高PJI 诊断阳性率;②能检测出更多的致病菌，具有更广的细菌谱，尤其在厌氧菌检测上更是有无可替代的优势;③具有更短的培养周期，并且提高了厌氧菌检出率，这对临床指导用药具有重大意义［34-35］。

经过上述几步改进后假体超声裂解液技术基本已成熟，近年来关于其进一步的研究更多是通过将其与其他技术联合来提高致病菌的检出率，Shen等［36］将其与BD Bactec 自动血培养基结合;Gomez等［37］将其与PCR 技术结合;更有学者如Nelson等［38］将超声裂解液技术应用推广，于二期翻修术中将骨水泥间隔器取出行超声裂解处理，从而预测二期翻修的成败。

6.2 PCR PCR 作为一种新兴的诊断PJI 的方法，被寄予厚望，近年来更是受到极大的关注和研究。与假体周围组织培养相比，PCR 拥有更高的诊断敏感性，操作周期更短以及结果受术前抗生素治疗等临床操作的影响很小等优点［39］。但需指出的是，其依然无法取代术中假体周围组织细菌培养及药敏结果对临床PJI 治疗的重要指导意义。

不论是PCR 还是假体周围组织培养，成败的最大关键在于样本取材时是否有效取到了致病菌。而当下研究中，PCR 的常用样本有假体周围组织、关节滑液及超声裂解液。对于假体周围组织和关节滑液这两者，多数学者推荐采用16S rRNA PCR 技术。早期16S rRNA PCR 采用印迹法来检测细菌DNA，准确率较差，现通常采用限制性核酸内切酶技术，然后对细菌DNA 进行扩增排序，大大提高了PJI 诊断的敏感性;但其缺点也来源于此，过高的敏感性让许多学者生疑，指出PCR 和组织培养的部分结果常存在较大的分歧，可能存在较高假阳性率［40］;其次，16S rRNA PCR 技术只限于诊断单一菌种感染的PJI，对于多重细菌感染无能为力。鉴于超声裂解液繁复制作过程中可能存在的污染会给16S rRNA PCR 检查带来较高的假阳性率，故多推荐采用多重PCR 技术来检测超声裂解液。相较超声裂解液培养组59%～67%的敏感性，超声裂解液多重PCR 组对于PJI 诊断敏感性达96%～100%;且对于术前服用抗生素的患者其敏感性依旧高达92%～100%，超声裂解液培养组则降至42%～50%［41］，但目前市面上商业化的多重PCR 数量极少限制了其应用的推广。针对PCR 易受污染导致假阳性的问题，专家组多推荐至少送检5 处标本行PCR 检查，当2 处以上标本检测出同一致病菌时其诊断PJI 的敏感性可达94%，特异性更是达到100%［7］。

7 结 语

综上所述，由于人工关节置换术后感染的传统诊断方法间或存在低敏感性或低特异性的局限，加之抗生素的滥用及细菌生物膜的形成，使之诊断难上加难，因而迫切需要一批新的现代分子生物学手段的出现来攻克这道难关，与此同时，更重要的还需科研与临床并重的临床医师将这些传统指标及新型手段更好的结合，从而提高人工关节置换术后感染诊断阳性率［42-43］。

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