骨折相关感染治疗的研究进展

何爱民，杜 宇，白雪松，王 磊，吕惠成

(1.内蒙古医科大学，呼和浩特 010010； 2.内蒙古医科大学第二附属医院创伤二科，呼和浩特 010030)

骨折相关感染(fracture-related infection,FRI)是创伤外科手术中常见的严重并发症[1]。闭合性骨折内固定术后感染率为1%，而严重的开放性骨折的感染风险为15%～55%[2]。骨折内固定术后感染发生率较高，按照时间分类可分为早期感染(<3周)、延迟感染(3～10周)及慢性感染(>10周)[3]。现阶段随着我国创伤急救体系的建立和逐步完善,早期创伤救治效果有所提高。但FRI仍是创伤患者后期最主要并发症,病死率占全部创伤中晚期病死率的70%以上[4]。而45%的院内FRI由术中使用内植物引起，植入物引起的相关感染导致内固定失败，使得后期翻修手术次数增加2～3倍。针对FRI的产生，笔者认为是创伤致全身及局部组织炎症介质增高，当金属内植物植入后会发生免疫排斥反应，并在钢板周围产生生物膜，而全身应用抗生素却不能阻断和破坏生物膜的形成，并且随着生物膜形成的时间越长，全身应用抗生素的效果越差。当机体全身或局部抵抗力低下、细菌毒力或数量较大时常常容易发生感染，若在早期未能及时控制，则会出现FRI。FRI是目前临床治疗难题之一，其主要原因在于骨骼的解剖特点和骨科植入物在手术中的应用为病原微生物的定植和感染创造了条件，而全身用抗生素很难在感染部位达到有效浓度，造成临床治疗效果不佳[5]。但目前针对FRI的常规治疗仍以应用敏感型抗生素为主。FRI中最常见的细菌种类是葡萄球菌(革兰氏阳性)，肠杆菌(革兰氏阴性)是术后早期(2周内)第二常见的种类[6]。有文献报道Gustilo-AndersonI型和II型的骨折患者预防性使用抗生素时间应≤24h，而III型骨折患者不应>72h，如果在66min内仍未系统地应用抗生素，则发生FRI的风险极大。而且无论是哪种类型的开放性骨折在关闭伤口后抗生素使用时间不宜>24h[7]。发生FRI的患者通常需要多次手术，抗菌治疗的疗程较长，相应的骨愈合的时间也会延长，而且愈后功能可能较差。除了给患者造成损失外，与非感染患者相比，FRI还导致了更高的医疗费用，是未感染患者的6.5倍[8-9]。

1 发生FRI的因素[10]

(1)手术史或感染史。(2)吸烟、酗酒、重度肥胖(BMI>35)、贫血、低蛋白血症、类风湿性关节炎病情控制不佳、肿瘤、免疫抑制状态、糖尿病血糖控制不佳[11]、严重肾病、肾移植术后以及合并其他全身疾病，且美国麻醉师协会(American Society of Anesthesiologists,ASA)健康状况分级≥3级。吸烟和使用任何尼古丁均会增加骨折固定后感染的风险，术前禁烟、控制患者血糖均可降低FRI的发生率[12]。而营养不良、肥胖、风湿性关节炎、糖尿病及免疫缺陷等高危患者面临的是更高的感染风险，甚至是反复感染，致病菌可以通过直接接触、血行播散或内源性转移到达植入物表面。高危因素患者的相对感染风险为正常人群的20倍[13]。(3)身体其他部位存在活跃或潜在感染灶，包括毛囊炎、疥疮、皮癣、龋齿、牙龈炎、鼻窦炎、鼻腔内有金黄色葡萄球菌定植、泌尿生殖系统慢性感染等。(4)手术相关因素，包括手术难度大、多部位同期手术、脊柱多节段手术导致手术时间过长[14]、输血、住院时间延长等，而且复杂的外科手术及技术也容易并发感染[15]。(5)手术切口部位因素，包括切口渗血、渗液、血肿、皮缘坏死、切口愈合不良等[16]。(6)开放性骨折：在AO/骨科创伤协会开放性骨折分类(OTA-OFC)中提到，FRI最常发生在开放性骨折之后，根据损伤严重程度的不同，发生率高达25%。1898年，德国内科医生弗里德里希在基础研究成果的基础上提出了清创的“6h理论”[17]。这一原则称，开放性骨折在伤后6h内进行清创，可以进行一期治疗。如果在受伤后6～24h清创，一期治疗则有发生感染的风险。如果受伤时间>24h，由于细菌繁殖，则不建议一期处理，清除所有污染物和失活组织可以有效预防FRI。传统观念认为开放性骨折应尽早清创(最好在6h内)，但是许多回顾性研究均不支持这一观点，因为随后的FRI发生率相似[18]。这可能与医者对其他因素(如早期围手术期抗生素预防)重要性的理解有所提高有关。因此，对开放性骨折来说，彻底的手术清创似乎比早期清创更重要，而且FRI的发生主要与骨折的Gustilo-Anderson分级有关，软组织损伤越重的骨折患者FRI的发生率越高。除此之外,有研究还发现，通过收集并分析有无药物过敏史，有过敏史的患者手术切口感染率显著高于无过敏史患者(P=0.019)。其与切口感染的发生有直接关联，头孢和青霉素，尤其是头孢类的抗生素对预防外科手术切口的感染具有重要作用[19]。

2 FRI的诊断标准

FRI的某些特征可被视为病原学感染，其他不具备特异性的特征可能表明存在感染，但在一些没有感染的患者中也可能出现。2018年的骨折相关感染专家共识确定了FRI的诊断标准。[1]

2.1直接标准 (1)瘘管、窦道或伤口破裂(与骨骼或植入物连通)。(2)围手术期伤口出现脓液或脓性引流物。(3)通过在手术干预期间从至少两个单独的深层组织/植入物(包括超声流体)标本中进行培养而鉴定出病原体。如果是组织，则应取多个标本，每个标本均应使用干净的仪器(而不是浅表或窦道拭子)。如果在与骨折骨相邻的关节中出现关节积液，则可以将通过无菌穿刺获得的液体样品作为单个样品包括在内。(4)在手术干预过程中，使用特定的细菌或真菌染色技术进行组织病理学检查并在深层组织中发现微生物。

2.2间接标准 (1)临床体征出现以下症状：疼痛(在无负重的情况下且随时间增加疼痛加剧或者出现新发的疼痛)； 局部发红、肿胀、皮温升高； 发热(体温≥38.3℃)。(2)放射学体征：随着时间的推移出现植入物松动； 骨愈合进展失败(即不愈合)； 死骨形成(例如在骨折部位以外的位置，或在合并骨折的情况下)； 在骨折部位，植入物周围出现骨溶解。(3)血清炎症指标升高(ESR、WBC、CRP)：在肌肉骨骼损伤中，应慎重注意这些指标的升高。如果在一段时间内继发上升(最初下降之后)或持续升高，并且排除了其他传染性病灶或炎症过程，则提醒可能出现FRI。(4)术后几天内伤口出现持续的、不断增加的或者新发的不明液体，且无法解释该情况发生的原因。(5)骨折患者新发关节积液。外科医师应意识到，在以下情况可能出现感染性关节炎：穿透关节囊的植入材料(例如股骨髓内钉)； 关节内骨折。

3 FRI的预防与治疗

预防FRI的主要原则包括全身和局部应用抗生素、手术前皮肤消毒以及手术治疗。围手术期抗生素预防(PAP)已被证明在预防骨折手术后感染方面非常有效[20]。多数方案建议使用广谱抗生素，通常是第一代头孢菌素，而对于有革兰氏阴性细菌污染风险的严重污染的GustiloⅢ型损伤伤口，则需另加氨基糖苷类抗生素，如妥布霉素或庆大霉素。如果有厌氧菌感染的可能性，如梭状菌，则推荐使用大剂量青霉素。有研究证明在葡萄球菌感染患者中加用利福平是有效的[21]； 在《坎贝尔骨科手术学》第6卷中提到，每日1次大剂量抗生素和低剂量分次给药的效果是一样的。

3.1生物膜的产生 在治疗FRI过程中作者发现，大约60%的FRI发生与生物膜有关[22]。内置物周围感染的发生机制主要包括生物膜的形成和局部免疫力的下降； Aparna等[23]研究发现细菌黏附并定植于固体表面的现象，并将其定义为细菌生物膜。许多骨科感染的发病机制与生物膜中微生物的存在有关。在随后的研究中Getzlaf等[24]提出了4个促进感染期间生物膜形成的原因：(1)机体保护宿主免受有害条件的伤害； (2)局部营养物质丰富； (3)细菌相互吸引聚集； (4)细菌通常会促进生物膜生长，而金属内植物是浮游培养皿(生物膜的默认生长模式)。生物膜的生长周期有5个阶段，具有与生物表型无关的共同特征。在体内有金属内植物的情况下，细菌进行吞噬作用的无效尝试可能会导致细胞毒性和蛋白水解物质的释放，从而导致组织损伤，并最终造成植入物周围的骨溶解。骨科植入物表面的细菌生物膜可由单种或多种细菌组成,主要是金黄色葡萄球菌、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[25]。细菌生物膜的形成是一个动态的过程，因为生物膜随着时间的推移而成熟，导致感染从发病开始就很难治疗。针对生物膜的治疗，单纯应用抗生素效果较差，最主要原因是全身应用抗生素不能阻断和破坏生物膜的形成，使得单核细胞及吞噬细胞不能进入生物膜杀伤细菌，并且随着生物膜形成的时间越长，全身应用抗生素的效果越差。如治疗不善会极大地增加患者的经济负担和社会负担。

3.2内植物去除时机 在治疗FRI的过程中是否移除内植物是骨科医师必须解决的一个常见难题。基础科学数据表明，如果保留内植物，生物膜将阻止感染的根除。虽然证据有限，但一些回顾性临床研究表明，在选定的病例中，手术清创后选择保留内植物进行治疗，可以获得骨折愈合。尽管这些患者的FRI得到了成功治疗，但与未感染患者相比，实现骨性愈合的时间更长，为130d[20]。对于早期FRI的创伤患者，最好的治疗策略是进行彻底的清创、组织培养取样和经验性抗生素治疗，如果结构稳定，则保留内植物。如果内固定不稳定，治疗应包括手术清创、取出松动的内植物、再次进行内固定或外固定(立即、分期或延迟)、抗生素治疗、必要的软组织覆盖。即使感染出现在初次固定后的几天内，不稳定的植入物也必须取出。如果内植物明显松动或目前的固定不太可能愈合，应考虑取出FRI患者植入的内植物。2018年国际肌肉骨骼感染共识认为保留或移除内植物视临床情况决定，需要考虑感染程度、内植物的不稳定性和骨折部位。如果骨折已经愈合，取出所有的内植物和坏死材料，可以很好地治疗感染。

3.3局部抗生素的应用 在肌肉骨骼手术中，局部应用抗生素已成为治疗骨髓炎和植入物相关感染的标准程序。Foster等[26]认为将达托霉素与传统使用的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥结合形成适当的载体将抗生素直接植入感染部位，在局部可以获得很高的药物浓度，而且没有明显全身性的毒副反应。局部抗生素的应用机制包括植入聚甲基丙烯酸甲酯、涂层、胶原纤维、水凝胶和陶瓷(磷酸钙和硫酸钙)。FRI治疗是否成功的原因包括感染持续时间、骨折固定的稳定性、清创是否彻底、抗生素治疗的时间和钢板植入位置是否合适。在FRI治疗过程中早期清创，结合局部抗生素载药涂层的植入，使感染持续的时间缩短，且生物膜成熟的时间也最短。聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(PMMA)历史上一直是骨科和创伤手术中输送局部抗生素的基石，PMMA可根据需要以多种形式应用，如抗生素串珠、间隔器、髓内骨水泥钉[27],在应用PMMA载药时，推荐抗生素载药浓度为10%[28]。局部植入万古霉素骨水泥可以至少在术后1周内伤口局部达到很高的药物治疗浓度，而全身药物浓度很低，可以避免全身使用万古霉素带来的不良反应，具有很高的安全性[29]。但是使用含抗生素的PMMA的主要限制是多数情况下需要二次手术取出。进一步的限制包括释放的药代动力学，在添加的抗生素中90%以上被保留在骨水泥中，在很长时间内释放抗生素的浓度较低。因此，PMMA可以被耐药细菌定植。在临床前沿领域，已经研究了新技术，例如使用涂层保护活性物质不被水解降解，从而携带抗生素。自固化磷酸钙人工骨可以满足这一要求，其作为局部抗生素载体,有良好的生物相溶性,可完全降解,具有骨传导及药物缓释功能,且与溶液混合时不会产生过高热量,可有效避免高温所致的抗生素活性降低甚至丧失。内蒙古医科大学第二附属医院创伤骨科吕惠成教授率其团队开展如何有效的预防和治疗FRI的研究，在术前加入感染风险的评估，设立筛选标准，将合并II型糖尿病(空腹血糖10mmol/L以上)、BMI≥35、长期吸烟(吸烟史>10年，20支以上/d)、长期酗酒(饮酒史>10年，6两/d)、开放性骨折(Gustilo-AndersonII型及以上)的患者作为高危人群，使用载药自固化磷酸钙进行预防及治疗FRI取得良好的临床疗效。目前应用临床的生物可吸收材料，如自固化磷酸钙人工骨等，拓宽了局部抗生素使用的道路，并增强药代动力学释放。

现有研究表明，胶原蛋白可以作为庆大霉素的生物可降解载体。在庆大霉素的体外释放实验表明在90min内>95%，而胶原蛋白在随后的8周内降解[30]。这种载体的局限性主要是抗生素的释放时间很短，而胶原蛋白降解需要很长的时间，死腔占位效果不明显。

水凝胶由高含水量的亲水性聚合物组成，作为抗生素载体在体外、临床前模型和人体试验中进行了研究。研究结果表明水凝胶装载各种抗生素可以防止在骨科内植物插入时被细菌定植[31]。一个以测试水凝胶负载抗生素的治疗效果的大型金黄色葡萄球菌植入相关的绵羊骨髓炎动物模型实验中[32]，该水凝胶与1%庆大霉素和4%万古霉素交换使用可以成功地治疗绵羊骨髓炎。在一项前瞻性、多中心、随机的临床试验中，结合外科医师选择抗生素的喜好，如庆大霉素(62%)、万古霉素(36%)或万古霉素和美罗培南的组合(2%)，对透明质酸水凝胶进行了研究。在闭合性骨折的患者中使用可以预防骨折内固定术后的手术部位感染。在接受抗生素负载水凝胶的手术中，手术部位感染的发生率为0%，而接受当前标准治疗的手术部位感染的发生率为5%，说明抗生素负载水凝胶是可靠的[33]。这些结果强调了该载体在预防感染方面的作用，当开放性骨折的风险较高时，这一作用可能会更加突出。

噬菌体是自然界存在的病毒，是细菌的专性病原体，最早于1915年被描述[26]。前苏联进行了相关研究，但随着1945年青霉素的发现，其在西方世界的临床应用已被广泛放弃[34]。而多重耐药菌的出现以及对抗生素进一步开发的需求使噬菌体疗法重新得到关注。噬菌体疗法正在成为治疗多重耐药菌感染的一种很有前景的疗法，并作为一种抢救程序在FRI得到应用。

在任何感染性骨不连中，最快的治疗方法是截肢。在疾病的治疗过程中，截肢仍然可能是最终的选择[35]。感染性骨缺损多因严重创伤及内固定手术后感染反复发作引起。Ilizarov骨搬移技术依照张力-应力法则，由俄罗斯Ilizarov医师于20世纪50年代首次提出，通过牵拉反复刺激促进软组织及骨组织再生、修复和重塑，是骨缺损治疗行之有效的手段[36]。Ilizarov术是目前最广泛采用的骨重建方法，其局限性在于骨重建过程缓慢而痛苦，且面临钉道感染、皮肤切割、关节僵硬或活动受限、断钉断针、关节不稳、搬运端成骨不良、足下垂、力线不良等问题[37]。膜诱导技术由Masquelet首先提出,他曾对35例长骨骨缺损的患者采用骨水泥诱导成膜后取自体松质骨移植填充缺损区,取得了满意的疗效,此后这种技术在临床上得到了广泛应用[38]。传统的Masquelet技术两期治疗均采用外固定支架，陆军军医大学第一附属医院骨科谢肇教授等使用Masquelet技术在治疗骨感染、骨缺损方面，取得良好的临床疗效，具有增加稳定性、减少植骨量、避免轴线偏移等优势[39-41]。

4 展望

目前的文献证明，彻底手术清创及其他局部抗生素治疗，可以治疗FRI。但FRI仍是骨科手术中的一大难点，随着技术水平的不断提高，使用可降解的骨替代物作为抗生素载体改变了治疗理念，在解决骨感染方面取得了优异的效果。尽管目前技术还有很多不足，但最近在有污染伤口的开放性骨折的共识指南[6]中建议增加局部和系统的抗生素预防。如果能在人体中筛查出感染易感基因，针对性的进行预防性治疗，或研制出相关疫苗，将能极大地减轻患者心理和经济负担。在不久的将来会涌现出更多的技术和理念，能够更好地解决骨折相关感染这个“骨科的不死肿瘤”。