人工关节置换术后假体周围感染诊断的研究进展*

孙 彬 综述 杨 滨 张 克 审校

(北京大学国际医院骨科，北京 102206)

人工关节置换术后假体周围感染(periprosthetic joint infection，PJI)是人工关节置换术最棘手的并发症之一，虽然近年来经过改进感染预防的措施，PJI发生率有所下降，但依旧是关节外科医生最担心的术后并发症。在美国，PJI是膝关节置换翻修手术的首要原因，在髋关节翻修术的病因中排第3位[1，2]，PJI不仅给患者造成灾难性打击，也给社会造成巨大的经济负担。目前，如何及时、准确诊断PJI仍是一个挑战，尚缺乏金标准。近年来，新型生物标记物及分子生物学方法诊断PJI的研究不断增多，本文对PJI传统诊断方法、专家指南与共识进行回顾，对新进展及诊断标准进行文献总结。

1 PJI诊断标准的历史

2011年美国肌肉骨骼感染学会(Musculoskeletal Infection Society， MSIS)提出PJI的新定义(表1)[3]：将与假体相通的窦道，或者受累关节2次培养阳性且为同种细菌作为主要标准；将血清C反应蛋白(C-reactive protein，CRP)或动态红细胞沉降率(erythrocyte sedimentation rate，ESR)升高，关节液白细胞计数或中性粒细胞百分比升高，受累关节处见脓液，假体关节处单次培养阳性，假体周围组织冰冻切片见炎性细胞浸润等作为次要标准。2013年假体周围感染国际共识会议(International Consensus Meeting 2013，ICM 2013)对MSIS的诊断标准进行少量修改(表2、3)[4]，增加了一些新的指标(如白细胞酯酶)，并针对急性感染与慢性感染设定相关诊断阈值。 Parvizi等[5]在2018年发布了新的PJI诊断定义，诊断标准依旧分为主要标准和次要标准，并将次要标准赋予不同的权重分值，当累计分值超过诊断阈值时，即可诊断PJI。

表1 MSIS提出的PJI诊断标准[3]

表2 ICM 2013诊断标准(存在1项主要标准或3项以上次要标准即可诊断)[4]

表3 ICM 2013次要标准的诊断阈值[4]

相比2011年MSIS诊断标准，ICM 2013将次要标准由6项调整为5项，删除假体关节处可见脓性组织这一次要标准，增加关节液白细胞酯酶这一实验室检查，并将白细胞酯酶阳性与关节液白细胞计数增加合并为一项次要诊断标准。Parvizi等[5]回顾性分析422例人工关节翻修(PJI 222例，无菌性松动200例)，指出2011年MSIS诊断标准的敏感性为79.3%(95%CI: 73.4%～84.4%)，特异性为99.5%(95%CI: 97.3%～99.99%)，ICM 2013的敏感性为86.9%(95%CI:81.8%～91.1%)，特异性为99.5%(95%CI:97.3%～99.99%)。可见，广为应用的PJI诊断标准仍存在漏诊的可能。2018年新定义将次要标准分为术前和术后获取的两类检验结果，关节液CRP和关节液α-防御素出现在标准中，且不同的次要诊断标准被赋予不同的分值(表4、5)。根据新的算法，Parvizi等指出该诊断标准的敏感性达97.7%(95%CI:94.7%～99.3%)，特异性为99.5%(95%CI:97.2%～99.99%)。本文介绍此最新定义，并重点综述此定义中的各项诊断标准的最新进展。

表4 2018年PJI诊断新定义[5]

表5 2018年PJI诊断新定义中次要标准诊断阈值[5]

2 PJI经典诊断指标

2.1 CRP和ESR

血清CRP和ESR对PJI的诊断很有帮助，被广泛应用于指南或专家共识中。CRP和ESR正常在关节置换术后几天内快速上升达到峰值，CRP比ESR稍快。如果在没有炎性关节病或感染的情况下，术后2周CRP可恢复正常，ESR约在术后6周后降至正常。术后3个月ESR升高，特别是CRP的升高，提示有感染的可能性。Huerfano等[6]meta分析显示血清ESR对PJI诊断的敏感性为86%(95%CI:82.5%～89%)，特异性为72.3% (95%CI:70.4%～74.2%)，CRP敏感性为86.9% (95%CI:83.5%～89.9%) ，特异性为78.6%(95%CI:76.9%～80.3%)，认为血清ESR<30 mm/h或血清CRP <10 mg/L可以排除PJI。由于血清CRP和ESR是炎症性反应的非特异性标志物，在炎症性疾病中都会升高，此时需要将PJI与其他炎症性疾病相鉴别。Kim等[7]回顾性分析197例(12例感染，185例非感染)，拟设定PJI诊断阈值，CRP>34.9 mg/L时，存在最高敏感性(100%)和特异性(90.3%)，CRP>74.5 mg/L时，存在最高阳性预测值(100%)及阴性预测值(99.2%)。多次、动态地关注CRP和ESR的变化趋势对PJI检出以及对诊断的排除有重要的意义。当ESR或CRP不能完全排除PJI诊断时，需要进一步完善检查来明确诊断。

2.2 关节液白细胞计数和中性粒细胞百分比

关节液白细胞计数和中性粒细胞百分比对于PJI诊断具有非常重要的作用，因易于获取、便于计数，且具有良好的诊断价值，在上述指南及共识中均作为诊断标准。急性期(术后6周内)，关节液WBC计数> 10 000个/μl，关节液中性粒细胞百分比>90%可考虑诊断PJI。慢性期(术后6周之后)，关节液WBC计数>3000个/μl，关节液中性粒细胞百分比>80%被推荐用于诊断PJI[4]。Lee等[8]meta分析显示关节液白细胞计数对于诊断PJI具有89%敏感性(86%-91%)，86%特异性(80%～90%)，中性粒细胞百分比具有89%敏感性(82%～93%)，86%特异性(77%～92%)。在某些特殊情况下，关节液白细胞计数及中性细胞百分比的结果可能受到影响，应当谨慎解读。当存在金属磨损、腐蚀时，自动白细胞计数是不准确的[9]，因吞噬金属离子的单核细胞会对自动计数仪器产生影响，从而导致假阳性，此时需要手动进行人工分类计数检验。如果穿刺前预防性应用抗生素，可能会对白细胞计数产生影响[10]，伴随炎症性关节病时并不会影响以上计数[11]。

3 PJI诊断的新型生物标记物

近年来，许多血清学及关节液标记物可用于临床诊断[12]，包括D-二聚体、关节液白细胞酯酶、关节液α-防御素、下一代测序等。传统诊断方式难以定论时，这些新的检验方法对PJI的诊断是有帮助的。

3.1 血清D-二聚体(D-Dimer)

D-二聚体是纤维蛋白降解产物，在纤维蛋白被纤溶酶破坏后释放到血液中。在目前临床应用中，D-二聚体多用于评估患者是否处于高凝状态，并且对下肢深静脉血栓形成的风险进行预测[13]。纤维蛋白可以介导并增强炎症反应[14],Schutte等[15]报道D-二聚体升高患者可伴有感染或脓毒血症的发生。D-二聚体对感染预测的价值引起更多学者对其的兴趣，Shahi等[16]一项队列分析结果显示，PJI患者血清D-二聚体水平高于因无菌性松动行人工关节翻修术者，并将850 ng/dl作为诊断PJI的截断值。该研究同时将血清D-二聚体与血清CRP及ESR作比较，其对PJI诊断的敏感性及特异性分别为89%及93%，均优于血清CRP和ESR。该研究认为D-二聚体可以作为诊断PJI的一项有力证据。D-二聚体在最新的2018年诊断标准中也被纳入为次要标准辅助诊断。但D-二聚体作为一项新的对感染和PJI存在诊断价值的血清标记物，报道的文献不多，未来需要更多的临床试验来证明其诊断效力。

3.2 关节液CRP

除关节液中白细胞数量的增多，PJI患者关节液中也会检测到炎性因子的升高，比如关节液CRP升高。Parvizi等[17]报道关节液CRP对PJI的诊断价值高于血清CRP。相较于2011年MSIS诊断标准和ICM 2013，关节液CRP在PJI最新诊断共识中作为次要诊断标准出现。Lee等[8]meta分析显示关节液CRP对于PJI诊断的敏感性为85% (95%CI:78%～90%)，特异性为88% (95%CI:78%～94%)。Ronde-Oustau等[18]报道关节液CRP比血清CRP更能有效诊断人工关节感染，关节液CRP与血清CRP有高度的相关性和一致性，且具有更高的效度，阳性似然比更高，因而对PJI诊断的敏感性和特异性更高。当关节液CRP>2.78 mg/L时，诊断PJI的敏感性为100%，特异性为82%，阳性似然比为5.5；如果将临界值设为>5.37 mg/L，诊断PJI的敏感性为90%，特异性将提升至91%，阳性似然比为9.9。比起单一血清或关节液CRP检查，血清学结合关节穿刺液联合检测可能有更好的诊断价值，值得深入研究。

3.3 白细胞介素6(interleukin-6, IL-6)

IL-6是由活化的单核细胞和巨噬细胞产生的细胞因子，是全身炎症反应综合征和脓毒症的早期敏感“警示”标志[19]。感染、创伤和手术后，IL-6均会升高。Lenski等[20]报道关节液IL-6≥30 750 g/ml时，应考虑PJI存在。Randau等[21]120例研究结果显示，当将血清IL-6诊断阈值设定为>2.6 pg/ml时，诊断敏感性79.49% (95%CI:63.54%～90.70%)，特异性58.33%(95%CI:44.88%～70.93%)；将阈值设定为>6.6 pg/ml时，敏感性48.72%(95%CI:32.42%～65.22%)，特异性88.33% (95%CI:77.43%～95.18%)。由于这种细胞因子位于急性期炎症级联反应中其他标志物(如CRP)的上游[22]，因此，IL-6可能是检测PJI更快、更灵敏的标志物[23]。此外，IL-6术后相对较快地恢复正常[24]，也使其在鉴别是否存在PJI诊断中起关键作用。

不同的meta分析都强调了IL-6在PJI背景下的诊断潜力。在最近17项研究的meta分析中，Xie等[23]报道血清IL-6的敏感性和特异性分别为72%(95%CI:63%～80%)和0.89(95%CI:77%～95%)。关节液IL-6对PJI的诊断价值高于血清试验，敏感性和特异性分别为91%(95%CI:82%～96%)和90%(95%CI:84%～95%)。Berbari等[19]研究表明IL-6具有更高的诊断优势比，对于诊断PJI有更高的敏感性97%(95%CI:93%～99%)和特异性91%(95%CI:93%～99%)。Elgeidi等[25]认为将IL-6和CRP结合将会是PJI筛查的完美组合，敏感性和阴性预测值均高达100% 。李章来等[26]报道160例人工关节翻修术，测量血清IL-6、CRP，计算出IL-6结合CRP联合检测诊断PJI的敏感性为100%(95%CI:93.9%～100%)，特异性为98.3%(95%CI:90.9%～100%)。尽管IL-6有早期检测PJI的光明前景，但由于结果的多变性，目前尚未作为诊断指南的一部分，需要更多的研究加以验证。

3.4 白细胞酯酶

白细胞酯酶是由感染部位激活的中性粒细胞产生的酶，最初被用于协助诊断尿路感染[27]，应用比色条(尿液分析试纸)可以快速轻松地得出结果[28]。此外，关节液白细胞酯酶测试简单且便宜，每次测试的估计成本约为0.17美元[29]，这样快速、廉价、微创的试验方法可以尽早得出结果，早期对PJI进行诊断治疗。

该试验操作简便、微创，同时具有较高的敏感性与特异性。白细胞酯酶在PJI诊断中的应用由Parvizi等[28]最先报道，使用(2+)读数作为PJI的阈值，敏感性可达80.6%。白细胞酯酶也在ICM 2013和2018年PJI诊断新定义中作为次要诊断标准协助诊断。李睿等[30]回顾性分析63例髋、膝关节置换术后白细胞酯酶在PJI诊断中的应用，以MSIS标准作为诊断标准，敏感性为91.4% (95%CI:75.8%～97.8%)，特异性为96.4% (95%CI:79.8%～99.8%)。近期的另一项研究[31]将(+)和(2+)作为阈值的白细胞酯酶测试与标准诊断测试(包括血清ESR，血清CRP，关节液白细胞计数和中性细胞百分比)进行比较，结果显示白细胞酯酶在PJI的诊断中具有更好的价值。 Lee等[8]meta分析显示白细胞酯酶对于PJI诊断的敏感性为77% (95%CI:63%～87%)，特异性为95% (95%CI:86%～98%)，可见，其特异性较敏感性更有价值。当关节穿刺液混有血液时，可能会影响试纸条比色，影响结果。不过，白细胞酯酶具有廉价且易于获取结果的优点，值得在临床推广。

3.5 α-防御素(Alpha-defensin)

α-防御素是宿主非特异抗感染免疫的重要组成部分，具有广谱抗菌性的活性小分子肽类，由活化的中性粒细胞释放，作为对病原体的先天免疫反应的一部分，对革兰氏阳性、阴性菌均具有广谱抗菌活性[32]且并不受先前是否应用抗生素影响，被不少文献报道存在较高的敏感性与特异性。Wyatt等[29]meta分析显示α-防御素阳性对PJI诊断的敏感性为100%(95%CI:82%～100%)，特异性为96%(95%CI:89%～99%)。彭永刚等[33]meta分析结果显示α-防御素阳性对PJI诊断的敏感性为96%(95%CI:92%～99%)，特异性为97%(95%CI:95%～98%)。Deirmengian等[34]将α-防御素与白细胞酯酶用于诊断46例人工关节翻修(23例符合MSIS诊断标准)，α-防御素阳性对于诊断的敏感性及特异性均为100%，且相较于白细胞酯酶不会因关节液中混有血液而影响检验结果。α-防御素相比于白细胞酯酶的不足在于费用远远高于后者，α-防御素每次检测花费约760美元，并需要送至特定的实验室，相比于应用试纸即可完成的白细胞酯酶检测不够廉价、便捷[35]。

3.6 病原学培养和病理组织分析

3.6.1 关节液穿刺培养 不论是2011年PJI诊断指南，还是ICM 2013诊断标准和2018年PJI诊断新定义，受累关节不同部位2次培养出相同病原菌都作为诊断PJI的主要标准。关节液穿刺培养结果不仅有助于PJI诊断，还有助于选择合适的抗菌药物，有效治疗感染。关节穿刺是一种微创、易于操作的临床技术，可疑PJI时，应常规进行关节腔穿刺及关节液培养。Squire等[36]报道关节液培养敏感性50%～93%，特异性82%～97%。Rodriguez-Merchan等[37]meta分析结果显示，围术期关节穿刺液培养的敏感性和特异性分别为67.6%(95%CI:28%～100%)和98.4%(95%CI:96%～100%)。可见，关节液穿刺培养对PJI的特异性高，但敏感性波动较大。关节液穿刺培养可以在PJI的诊断中起关键的作用，但是不同的研究结果却存在很大差异。

3.6.2 术中病原学培养 目前的专家共识[38]建议应将至少3个但不超过6个术中样本送去培养，将培养物置入血培养瓶中立即送检，培养至少5～14 d。在怀疑培养阴性的PJI，或生长缓慢和苛求生物体的情况下(比如痤疮丙酸杆菌)，考虑更长的培养时间>14 d。张宁等[39]meta分析显示PJI术中组织培养的灵敏性和特异性分别为85.1%和96.9%，关节液培养的灵敏性和特异性分别为77.4%和96.8%，可见，组织培养的敏感性和特异性存在一定优势。是否应当在细菌检出前使用抗生素值得关注。预防性应用抗生素可以降低人工关节翻修术后感染几率，但可能会影响细菌的检出。Wouthuyzen-Bakker等[40]报道预防性应用抗生素组关节液穿刺培养阳性率为88%(145/165)，非预防性应用抗生素组阳性率为95%(344/362)。美国骨科医师协会指南建议，对于怀疑可能存在PJI患者，在获取确定性的诊断之前不使用抗生素。如果在穿刺前已经接受抗生素治疗，建议至少停药2周后再进行关节穿刺可以提高敏感性。在已经确定病原体的情况下，术前预防性应用抗生素并不会降低术中培养的敏感性[41,42]。

3.6.3 术中病理切片 Mirra等[43]提出冷冻切片400倍放大的高倍镜视野中，至少存在3个高倍视野，每个视野至少可见5个中性白细胞。多项研究中[44～46]显示，术中冷冻切片检查对于诊断PJI特异性较高，在非手术方法无法明确是否存在感染时，具有良好的应用价值。病理学检查结果是由外科医生及病理科医生共同得出的，想要获得一份准确的病理学报告，需要外科医生术中准确取材以及经验丰富的病理科医生进行切片分析。

4 分子生物学诊断技术进展

当通过以上方法仍不能明确诊断是否存在感染时，应当进一步考虑分子诊断技术，如下一代测序(next generation sequencing，NGS)。NGS是一系列高通量DNA测序方法，能够以更低的成本，更短时间内产生更大量的数据，并且比以前的方法需要更少的手动干预[47]。与聚合酶链反应(PCR)不同，NGS可以“开放”模式使用，不依赖于一组参数或一组PCR引物靶标。因此，能够检测出临床样品中存在的所有微生物DNA，并提供微生物谱的完整图像，不需要考虑存在哪些可能的病原体。NGS在所有已知的微生物数据库中搜索包括细菌、病毒、酵母、真菌和寄生虫在内的匹配物，无须进行额外的单独测试。Tarabichi等[48]在一项前瞻性研究中纳入65例关节翻修术和17例初次关节置换术，28例翻修术被诊断为PJI，其中25例NGS检测为阳性，阳性率89.3%(95%CI:71.8%～97.7%)，11例病原菌培养阴性中，9例被NGS检测出病原菌。Huang等[49]2019年报道1例全髋关节置换术后PJI，血清CRP、ESR均正常，关节穿刺液白细胞及中性粒细胞百分比升高，细菌培养为阴性，该患者最终经由NGS检测出一种鲜有报道且很难培养的微小小单胞菌，该种菌是一种常见于口腔疾病的厌氧菌，很少造成PJI发生。Ivy等[50]应用NGS对168例膝关节置换失败进行关节液分析，82例关节液培养阳性中74例(基因分析)和68例(物种分析)检测出已知病原菌，且有2例(基因分析)和3例(物种分析)关节液中探测出培养结果中未报告的病原体；在60例细菌培养阴性、临床诊断考虑无菌性假体松动中，7例(基因分析)和4例(物种分析)关节液标本中存在病原微生物，如金黄色葡萄球菌、琼尼不动杆菌等病原微生物。多中心临床研究和最终临床试验是必要的，以验证基于NGS的测试诊断PJI的准确性和靶向抗菌治疗的益处，是未来可期的突破性进展。

5 小结

综上所述，目前对于PJI诊断依旧困难，缺乏“金标准”。尽管诊断方法多种多样，仍缺乏一个公认的最佳检测手段。因此，将不同检验指标赋予不同分值，纳入一种算法中可以提高对PJI诊断的准确率，事实证明新的算法也存在良好的敏感性与特异性。但仍有个别特殊的情况不能完全辨别，这些患者需要借助于NGS等新技术。希望在不久的将来，诊断PJI的方法可以更加高效、微创，为关节外科医生和患者带来福音。