超声裂解液培养在关节假体周围感染诊断中的应用

刘侃 ，陈继营 ，郝立波

1 北京中医药大学第三附属医院骨科，北京100029；2 中国人民解放军总医院骨科

关节假体周围感染（PJI）是人工关节置换术最严重的并发症，发病率高、住院时间长且花费高［1］。致病微生物检测是目前诊断PJI 的主要方法，假体周围组织检测（PTC）是PJI微生物学诊断的金标准。然而，由于抗生素的使用和细菌生物膜的形成，常规培养方法的灵敏度不超过75%［2］，且假阴性率较高［3］。破坏假体表面的生物膜，可提高采样的有效率，改善培养结果。目前可通过超声裂解液培养破坏假体表面的生物膜，从而提高培养阳性率［3］。多项研究评估了超声裂解液培养的诊断效能，灵敏度为73%～88%，特异度为87%～99%［3-5］。然而，之前的研究并未统一使用感染共识来作为诊断标准［6］，结果的准确性有待商榷。因此，本研究前瞻性分析及评估超声裂解液培养的诊断效能，为提高PJI 的病原检出率提供理论支持。

1 资料与方法

1.1 临床资料 选择 2018 年 11 月—2019 年 12 月中国人民解放军总医院第一医学中心收治的疑似PJI 患者62 例，均拟行一期或二期髋或膝关节翻修术，男35 例、女27 例，年龄（61.33 ± 13.38）岁，BMI（25.14 ± 4.24）kg/m2，髋关节翻修48 例、膝关节翻修14 例。排除标准：一期植入占位器后仍然感染；诊断指标数据不全；超声裂解液培养过程中标本明显受到污染。

1.2 超声裂解液培养方法及阳性标准 参考相关文献［1，3］并对方法进行了改良。将手术取出的人工髋关节假体或人工膝关节假体置入准备好的低温灭菌塑料容器内，加入400 mL灭菌盐水。用高分子无菌手术贴膜将装有假体的灭菌容器进行密封处理，依次行涡旋 30 s、超声振荡 5 min（40 kHz，0.22 W/cm2）、再次涡旋30 s，然后于生物安全柜内将密封容器内裂解液注入到无菌离心管中进行离心处理（3 000 r/min，5 min，离心半径10 cm）。离心完毕后去除上清液，将剩余的裂解液沉淀注入血培养瓶中进行需氧、厌氧和真菌培养。以上操作均在假体取出后2 h 内完成。用自动血培养仪进行细菌培养并分析，培养周期14 d。结果报阳性者进行菌种鉴定和药敏试验，其中用质谱分析法进行菌种鉴定。

1.3 关节液培养方法及阳性标准 术前或术中对患者进行关节液采样，并把所得的标本注入血培养瓶中进行需氧、厌氧和真菌培养及关节液常规检查。另取1滴关节液滴于白细胞酯酶试纸上。关节液注入血培养瓶后由自动血培养仪进行培养分析，方法及阳性标准同超声裂解液培养。

1.4 假体周围组织培养方法及阳性标准 术中取假体周围可疑感染的组织至少3块［7］，进行普通细菌培养和厌氧、真菌培养。所有患者另取3 份可疑组织进行快速冰冻切片，术中根据冰冻切片结果来指导诊断及下一步治疗。组织研磨匀浆后注入血培养瓶中，由自动血培养仪进行培养分析，方法及阳性标准同超声裂解液培养。

1.5 统计学方法 采用SPSS17.0 统计软件。依据改良MSIS 诊断标准［6］，建立四格表，分别计算超声裂解液培养、关节液培养、假体周围组织培养的灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值。符合正态分布的计量资料用表示，两组间比较采用t检验；计数资料比较采用χ2检验。P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料 62 例患者中，依据改良的肌肉与骨骼感染协会诊断标准［6］确诊PJI 36 例、无菌性松动 26 例。PJI 患者 36 例，男 21 例、女 15 例，年龄（61.79 ± 14.34）岁，BMI（25.02 ± 4.19）kg/m2，手术部位：髋关节27 例、膝关节9 例，假体生存时间（30.63±15.39）个月，急性感染5例（置换后至出现症状时间＜3个月）、慢性感染31例（置换后至出现症状时间≥3 个月）；无菌性松动 26 例，男 14 例、女 12例，年龄（60.04 ± 12.42）岁，BMI（25.25 ± 4.28）kg/m2，手术部位：髋关节 21 例、膝关节 5 例，假体生存时间（66.17 ± 13.54）个月。11 例 PJI 患者、12 例无菌性松动患者未获得足够的关节液行常规分析。

2.2 62例疑似PJI患者的诊断结果 36例PJI患者中，超声裂解液培养阳性30 例（83.3%）、关节液培养阳性27 例（75%）、假体周围组织培养阳性25 例（69.4%）。超声裂解液培养阳性率高于关节液培养及假体周围组织培养，且与假体周围组织培养比较差异有统计学意义（P＜0.05）。

26 例无菌性松动患者中，有4 例超声裂解液培养阳性，依据菌种鉴定结果（2例藤黄微球菌、1例表皮葡萄球菌、1 例弗氏柠檬酸杆菌），提示存在标本污染的可能。

超声裂解液培养灵敏度较关节液培养、假体周围组织培养高，且与假体周围组织培养比较差异有统计学意义（P＜0.05）；但超声裂解液培养特异度较关节液培养、假体周围组织培养低，且与关节液培养比较差异有统计学意义（P＜0.05）。3 种培养方法阳性预测值和阴性预测值差异均无统计学意义（P均＞0.05），见表1。

表1 3种培养方法对62例患者的诊断效能比较［%，M（95%CI）］

2.3 36 例PJI患者的诊断结果 5例急性感染患者中，超声裂解液培养阳性4 例（80%）、关节液培养阳性5 例（100%）、假体周围组织培养阳性4 例（80%）。3 种培养方法的灵敏度比较差异无统计学意义（P均＞0.05）。31 例慢性感染患者中，超声裂解液培养阳性26 例（83.8%），关节液培养阳性22 例（71%）、假体周围组织培养阳性21 例（67.7%），超声裂解液培养的灵敏度高于假体周围组织培养和关节液培养，且与假体周围组织培养比较差异有统计学意义（P＜0.05）。

4例术前2周内接受过抗生素治疗的患者，超声裂解液培养阳性3 例（75%）、关节液培养阳性1 例（25%）、假体周围组织培养阳性1例（25%）。超声裂解液培养的灵敏度明显高于假体周围组织培养和关节液培养（P均＜0.05），在此方面超声裂解液培养突显出了明显的优势。

27 例髋关节PJI 患者中，超声裂解液培养阳性23 例（85.2%）、关节液培养阳性20 例（74.1%）、假体周围组织培养阳性19 例（70.4%）。超声裂解液培养的灵敏度高于关节液培养及假体周围组织培养，且与假体周围组织培养比较差异有统计学意义（P＜0.05）。9 例膝关节 PJI 患者中，超声裂解液培养阳性 7 例（77.8%）、关节液培养阳性 7 例（77.8%）、假体周围组织培养阳性6 例（66.7%），3种培养方法的灵敏度比较差异无统计学意义（P均＞0.05）。3 种培养方法对髋关节及膝关节部位的阳性预测值、阴性预测值差异无统计学意义（P均＞0.05）。见表2。

表2 不同部位PJI患者细菌培养结果比较［%，M（95%CI）］

3 讨论

超声裂解液培养原理为低频超声波可通过假体周围的液体形成高低压区域，即微小气泡形成于低压阶段，在高压阶段坍塌，释放能量并释放出植入物表面的细菌［8］。因此，超声裂解液培养通过扩增微生物细胞物质的采样，可以识别出传统组织和关节液检测中无法鉴定到的病原体，从而提高细菌培养的灵敏度，这类似于其他方法如聚合酶链反应或其他基于分子的诊断方法，同时还能提供抗生素药敏测试［9］。目前，超声裂解液培养已经应用于髋、膝、肩、肘和踝PJI 领域，但诊断的准确性却不尽相同。原因可能为超声裂解的程序不同、PJI的诊断标准不同、培养阳性的阈值不同、研究中纳入了非关节假体、术前使用了抗生素等。

本研究结果表明，所有髋膝关节PJI 的患者中，超声裂解液培养的灵敏度为83.3%，而假体周围组织培养和关节液培养的的灵敏度则分别为69.4%和75%。在5 例PJI 患者中，组织或关节液培养并未检出细菌，而超声裂解液培养结果呈阳性，这一发现支持了超声裂解可增加细菌培养阴性PJI 的病原检出率的假说。此外，很多之前的研究也已证实，超声裂解液培养较传统细菌培养的灵敏度高［7，10］。

Meta 分析显示，与传统组织培养相比，超声裂解液培养对PJI 的诊断具有较高的灵敏度，尤其适用于之前使用过抗生素的患者［11］。超声裂解液培养的灵敏度不受术前抗生素干预时机的影响［12］。而本研究中虽然术前2 周内服用抗生素的患者并不多，但却发现超声裂解液培养确实较传统培养有更高的阳性率，因此有理由相信超声裂解液培养能够为这类PJI患者的诊断提供更多帮助。

本研究结果显示，在晚期感染的患者中，超声裂解液培养较组织培养及关节液培养有更高的灵敏度。原因是在急性感染中细菌尚未形成生物膜，因此，组织培养也具有良好的灵敏度。然而，2013 年PJI 的国际共识会议上提出了反对常规进行假体超声裂解的方法。专家组认为，超声裂解液培养应在术前穿刺培养阴性或2周内接受过抗生素治疗的疑似或已确诊的PJI 病例中应用［13］。同样，研究表明，只有在迟发的植入物失败病例中才会推荐应用超声裂解液培养［8］。而另一方面，其他研究结论则认为，超声裂解液培养在临床上常规检测病原学方面相当可靠［11］。依据本研究结果，我们认为超声裂解液培养是一种廉价而有用的检测方法，在控制污染的前提下可以在PJI的诊断中常规应用。

此外，不同部位的关节超声裂解液培养其灵敏度也不尽相同。文献报道，髋或膝关节部位超声裂解液培养的灵敏度比肩关节高［3］。本研究分析发现，超声裂解液培养在髋PJI 方面具有显著优势，但在膝PJI 方面却无优势。原因可能为在全膝关节置换中使用的是骨水泥假体，需要应用含有抗生素的骨水泥，这可能会影响细菌生物膜的结构，从而凸显不出超声裂解液培养在灵敏度方面的优势。但是，本研究中膝PJI 的绝对病例数较低，也有可能因此降低了差异。

本研究虽然为前瞻性研究，但仍旧存在局限性。如纳入研究的患者总数量相对较少且仅包括髋膝关节置换的患者，因此结果的分析会受此影响；未进行分子诊断学研究，如应用聚合酶链式反应分析超声裂解液，下一步研究中我们将采用二代测序法；术前2 周接受抗生素治疗的患者比例较低，无法准确评估超声裂解液培养在此类患者中的应用价值。