骨科植入物表面细菌生物膜感染的预防和治疗进展

翟骁，何帆，赵检，邵杰，赵云飞，赵颖川，倪海键，朱晓东，白玉树，陈自强，李明

(第二军医大学长海医院骨科，上海　200433)



骨科植入物表面细菌生物膜感染的预防和治疗进展

翟骁，何帆*，赵检，邵杰，赵云飞，赵颖川，倪海键，朱晓东，白玉树，陈自强*，李明*

(第二军医大学长海医院骨科，上海200433)

骨科医用植入物在临床上得到了广泛应用，然而，植入物植入术后感染是骨科手术的灾难性并发症，植入物周围细菌生物膜形成是造成感染治疗困难的主要原因。目前常用治疗方法效果欠佳，清创术后是否保留内固定一直以来也是争论的热点。另外更换新的植入物费用昂贵，给社会和家庭带来了巨大经济负担。近年来，随着学科交叉的深入发展，新技术不断涌现，包括植入物新材料、抗生物膜制剂、生物疫苗、电刺激法、激光冲击波法和超声法等，在动物和细胞实验中证明可有效预防和治疗植入物表面细菌生物膜感染，给患者和医生带来福音。进一步创新方法的研究和临床应用，将成为医学研究的热点。

医用植入物在骨科临床的应用广泛，骨科医用植入物的使用给骨关节炎、骨折和脊柱畸形等疾病的治疗带来了新方法。然而，随之而来的则是骨科植入物表面的细菌生物膜感染的日益增多，由于处理起来相当棘手，成为困扰骨科医师的重要问题。目前，尚无非常有效的无创性生物膜破坏技术，主要依靠清创手术，抗生素治疗，甚至取出移植物，感染控制后再重新安装。这些方法增加了患者的痛苦，且费用昂贵、周期较长，给家庭和社会带来了较大负担。本综述回顾近年文献，总结了预防和治疗骨科植入物表面细菌生物膜感染的新技术。

1骨科植入物术后感染及治疗现状

骨科植入术后感染是较为严重和复杂的手术并发症。据统计，每年美国有约百万例关节置换手术[1]，到2030年，预计将超过四百万例[2]。关节置换术的术后感染以术后2年内多见，感染率约2%[3-5]。一期和二期翻修清创术是较有效的方法，清创成功率分别约为80%和90%[6-8]。30 d内的早期感染，通过广泛清创，若确认无窦道形成，可以保留植入物[9]。研究表明，早期清创联合长程抗生素治疗，控制感染的成功率可达71%[10-11]。最后，取出植入物一般作为最终治疗方案[8]。目前，取出植入物的治疗方案成本较高[12]，美国的人工关节感染的治疗每例耗费超过5万美元[13]，而我国虽无这方面统计，但费用总量估计也很高。因此，研究预防和治疗植入物周围感染十分重要，而其中细菌生物膜的形成是感染治疗效果不理想的主要原因。

2细菌生物膜结构和耐药性

细菌生物膜是附着于相关物体表面，由细菌细胞和其分泌的胞外多糖物质包绕组成的膜物质[14]。生物膜依靠细菌表面结构黏附在骨科植入物表面，如鞭毛、菌毛和糖萼等[15]。此外，表面张力、疏水性和静电引力等也与生物膜粘附力相关。生物膜较容易在粗糙的疏水性表面生长聚集[16]，厚度可达100 mm[3]。

由于植入物表面血供较少，缺乏营养物质，细菌生物膜往往呈持续性缓慢生长，耐药性往往更高。与单细菌细胞相比，细菌生物膜耐药性可增加1 000倍[3]。骨科植入物表面的细菌生物膜可由单种或多种细菌组成，包括金黄色葡萄球菌、凝固酶阴性葡萄球菌、乙型溶血性链球菌以及需氧革兰氏阴性杆菌(包括铜绿假单胞菌)等[5]。抗生素独立治疗生物膜效果较差，并且治疗效果与生物膜形成的时间密切相关[14]。研究表明，在生物膜形成1周内，妥布霉素和哌拉西林抗菌效果良好，但1周后生物膜耐药性明显增加[14]。另外，独立使用抗生素的治疗也可能会增加细菌耐药性。有研究表明，抗生素使用不当可能还促进生物膜的繁殖[4，17]。

3细菌生物膜感染的预防和治疗技术

3.1植入物新材料植入物材料的改进可预防生物膜感染的形成，骨科植入物所用合金的种类一直是研究的热点。葡萄球菌在不同合金表面黏附和繁殖能力不同，钛合金表面细菌繁殖能力较弱，因为钛合金可以使细菌分散在植入物表面，增加了接触抗生素的面积[18]。钛合金去除钒成分后，可明显减少细菌粘附和生物膜的形成[19]。此外，使用纳米结构的生物材料，可通过改变植入物表面结构，改变表面电荷和附着面积等功能，使细菌难以附着[20-22]。

3.2抗生物膜制剂目前抗生物膜制剂研究较热，Campoccia等[20]详细综述了抗生物膜的试剂种类。通常，抗生物膜制剂，如聚乙烯氧化物[23]等，通过利用亲水性、高度水合和阴离子表面等特点，从而排斥细菌，减少黏附[20]。相反，也有一些疏水性和阳离子表面的制剂用于植入物表面时，可促进感染条件下的骨愈合[24]。Shirai等[25]采用碘涂层的钛植入物，在21 例恶性骨肿瘤或化脓性关节炎患者中预防性使用，仅1 例患者发生铜绿假单胞菌感染，经静脉注射抗生素治疗好转，未取出植入物。

生物活性的抗菌涂层可在植入物表面发挥抗菌作用。其中，人b-defensin-3抗菌肽较为常用。研究表明，人类b-defensin-3抗菌肽可明显减少钛合金表面的细菌菌落数量，并可有效对抗耐药菌，如耐甲氧西林表皮葡萄球菌(methicillin resistant staphylococcus epidermidis，MRSE)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin resistant staphylococcus aureus，MRSA)等[26-27]。另一种生物活性抗菌涂料，如含二醇二氮烯翁聚合物涂层[20]可通过释放一氧化氮，结合过氧化物，产生过氧亚硝酸盐，对细菌发挥非常的细胞毒性作用[20]。同样，活性氧释放涂层，如过氧化钙的聚己内酯[20]等，可通过氧自由基杀菌，但对周围组织也有一定毒性[28]。光敏生物活性材料，如锐钛矿型TiO2，在385 nm波长的紫外光的照射下可以激活，发挥杀菌作用[20]。

具有抗菌性质的非抗生素类化合物，如金属银和铜等，可以通过自身腐蚀性，释放金属离子，破坏细菌的呼吸链，发挥抗菌作用[20]。这些金属在骨科植入物的表面形成离子膜，防止细菌粘附。

3.3生物疫苗目前针对常见细菌，也有一些学者在研究相关疫苗。疫苗从细菌表面提取了多糖或蛋白质，注射后机体可产生防止生物膜形成的免疫球蛋白[21]。由于金黄色葡萄球菌容易产生耐药性，相关疫苗的研究成功率较小[29]。例如Staph VAX疫苗虽然通过了Ⅲ期临床试验，但是第一年有效率即减少至30%，最终导致撤回[30]。最近开发的四价疫苗，从细菌氨基葡萄糖苷酶(即ABC转运蛋白，一种保守蛋白和保守脂蛋白)中提取，与抗生素联用后，可以清除87.5%的细菌生物膜感染[31]。

噬菌体是一种可以破坏细菌的病毒，对植入物表面的生物膜可能有效。研究发现，骨科植入物周围感染MRSA和铜绿假单胞菌的大鼠，使用噬菌体可有效增强抗生素的抗菌效果[32]。

生物活性酶可通过溶解生物膜成分，导致生物膜的破坏。例如，分散蛋白(dispersin，Dsp)B可通过溶解聚合物或蛋白酶K，裂解生物膜的结构，增强抗生素对细菌的作用[20]。一些细胞毒性药物，如柠檬酸，也可以去除钛合金植入物表面的生物膜[33]。

3.4电刺激法电刺激在骨科植入物抗感染方面的应用是较新的研究方向。研究表明，当感染金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌不锈钢植入物上施加电流时，可以减少生物膜的粘附[34]。对于关节置换术后耐甲氧西林生物膜感染的大鼠，对钛合金植入物表面给予电流刺激，可明显减少生物膜粘附，并且与材料导电性和电压大小相关[35]。对于脊柱手术后生物膜感染的兔子进行电流刺激，也可使生物膜和植入物分离[36]。

3.5激光冲击波法利用激光产生的冲击波，可通过机械能破坏生物膜[37]。研究发现，镍钛合金支架表面形成铜绿假单胞菌生物被膜后，使用4～10 s激光冲击波，即可消除97.9%的生物膜[38]。激光产生的冲击波能破坏生物膜，分离成单个细菌，使抗生素治疗更加有效[38]。

3.6超声波法超声作用于生物组织可产生生物效应。研究表明，超声与抗生素联用，可提高其抗生物膜活性[39]。近年来，超声微泡技术的应用增强了超声的空化作用，可通过激活人类b-defensin-3抗菌肽从而破坏生物膜[40]。同时，超声靶向辐照下破坏携带药物的微泡，可以达到靶向治疗的目的[41]。

4总结与展望

随着骨科植入物感染的发病率和治疗成本的增加，单纯依靠抗生素或手术清创的治疗方法已不能满足临床要求。由于细菌生物膜的毒性和耐药性增加，既往的治疗方法效果不容乐观。随着学科交叉的深入和新技术的出现，促进了细菌生物膜预防和治疗技术领域的研究进展。目前，新技术的研究多为动物学和细胞学研究，具体临床效果仍待进一步探索。随着新技术不断出现和改进，创新的无创性细菌生物膜破坏疗法将成为医学研究的热点。

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作者简介：翟骁(1990- )，男，研究生在读，第二军医大学长海医院骨科，200433。

收稿日期：2015-10-21

中图分类号：R318.08

文献标识码：A

基金项目：国家自然科学基金(81101396)，上海市卫生计生委课题(12411950800)，上海市科委课题(15ZR1412700)，第二军医大学校级课题(2014QN15)；*本文共同第一作者：何帆；*本文通讯作者：陈自强，李明

文章编号：1008-5572(2016)04-0336-04