生物标志物在诊断假体周围感染中的研究进展

王仁伟，焦强，王北洋，胡宇奇，曹琳玮

(山西医科大学第二医院骨科，山西 太原 030001)

人工关节置换术是治疗晚期重度骨关节炎最理想的手术方式，能有效地提高骨关节炎患者的生活质量，恢复其关节的功能。假体周围感染(periprosthetic joint infection，PJI)是人工关节置换术后最严重的并发症，是导致关节翻修的主要原因之一[1]。随着人工关节置换术的数量逐年增多，PJI也越来越受到临床医生的关注。据报道，PJI的发生率在0.5%～2.0%之间[2]。然而，由于PJI的诊断缺乏“金标准”，以及目前没有任何检测的绝对准确性，临床医生在诊断PJI上仍然充满挑战。所以，及时准确地诊断PJI对保护植入的假体、预后，甚至降低发病率至关重要[3]。

2011年，肌肉骨骼感染学会(musculoskeletal infection society，MSIS)[4]公布了PJI的诊断标准，并在2013年国际共识会议(international consensus meeting，ICM)[5]上进行了修订，2018年Parvizi等[6]将MSIS及ICM制定的诊断标准进行了总结及归纳，公布了一个最新的诊断标准。虽然MSIS引入的诊断标准极大地提高了PJI的诊断，但许多诊断仍很困难。2018年修订PJI新的诊断标准纳入了几个生物标志物，与MSIS(79.3%)和国际共识会议定义(86.9%)相比，新标准显示出更高的97.7%的敏感性，具有相似的99.5%的特异性[6]。这些生物标志物包括滑液生物标志物和血清生物标志物等。滑液生物标志物如白细胞酯酶、α-防御素、Toll-Like受体、滑液C反应蛋白(C-reactive protein，CRP)等，血清生物标志物如红细胞沉降率(erythrocyte sedimentation rate，ESR)、D-二聚体、CRP、降钙素原(procalcitonin，PCT)、白细胞介素(interleukin，IL)-6等。这些生物标志物通常是通过静脉采血或关节穿刺术获得。这些生物标志物在过去几年一直被用于研究PJI的诊断性能，但是仍没有发现一个单独的生物标志物可以作为诊断PJI的金标准。

2018年PJI诊断新定义[6]，主要诊断标准：(1)关节感染部位至少2处独立样本中培养出同种病原体；(2)有窦道与假体部位相通或假体外露。符合2项标准中的1项诊断为感染。次要诊断标准：(1)术前诊断：①血清CRP>10 mg/L或血清D-二聚体>860 ng/mL(2分)，血清ESR>30 mm/h(1分)。②关节液：滑膜液白细胞>3 000个/μL或白细胞酯酶>++(3分)，滑膜液α-防御素(信号截止比)>1.0(3分)，滑膜液多形核白细胞%>80%(2分)，滑膜液CRP>6.9 mg/L(1分)。术前诊断评分结果≥6感染，2～5分可能感染，0～1分非感染。(2)术中诊断：术前诊断评分结果，假体周围组织炎症(每高倍镜≥5粒细胞)(3分)，假体周围组织化脓(3分)，假体周围组织单纯培养阳性(2分)。术中诊断评分结果≥6分感染，4～5分可能感染，≤3分非感染。

本文基于2018年新诊断标准收集和总结了用于诊断PJI的生物标志物，并就血清、滑液生物标志物、其他新研究在PJI的诊断研究进展予以综述，为PJI在临床上的诊断提供新思路。

1 血清生物标志物

血清生物标志物相对于滑液生物标志物更方便、快捷，它通过人体静脉穿刺血液而检测获得。临床上常用血清CRP、ESR来反应机体整体的感染状况，其他较少使用的血清标志物如降钙素原、IL-6、细胞间黏附分子-1、趋化因子配体2等也可通过与患者临床表现相结合，帮助临床医生诊断PJI。

1.1 血清CRP和ESR CRP是肝细胞合成的急性相蛋白，当机体受到细菌或组织损伤等炎症性刺激时产生。CRP通过激活补体和加强吞噬细胞的吞噬作用，清除入侵机体的病原体和受损的组织细胞，在机体的天然免疫过程中发挥重要的保护作用。ESR是血细胞在血液中的沉降速率，通常情况下ESR在炎症状态下沉降速率会加快。据报道ESR的敏感度和特异度分别为42%～94%和33%～87%，而CRP的敏感度和特异度分别为74%～94%和20%～100%[7-8]。然而，ESR和CRP很容易受患者本体因素影响，如使用抗生素、皮质类固醇激素或癌症相关疾病、近期侵入性手术及风湿类疾病等，这些都会导致ESR和CRP的值发生改变从而影响诊断。McArthur等[9]调查了髋关节和膝关节置换术后PJI血清阴性的病例，研究结果提示ESR和CRP联合可以显著提高诊断准确率。使用临界值为30mm/h的ESR及10 mg/L浓度的CRP时，对疑似感染关节置换术的敏感度分别为94.3%和91.1%。当两者都升高时，特异性的阈值提高到93%。但对于2018年新诊断标准，Bingham等[10]研究发现敏感性≥95%的ESR和CRP临界值分别为10 mm/h、5 mg/L，综合ESR及CRP临界值为10 mm/h和5 mg/L的敏感性和特异性为100%(95% CI：94.1～100)和54.7%(95% CI：46.4～62.3)，提示和2018年新标准中ESR和CRP的临界值相比，应该进一步降低临界值，减少对PJI的误诊率。综上所述，CRP及ESR作为单独诊断PJI时可信度较低，应与其他生物标志物联合诊断以提高其诊断性能，同时应考虑较MSIS标准低临界值的检测结果，避免出现PJI的漏诊。

1.2 血清IL-6 血清IL-6作为一种新型的检测指标，在诊断PJI中显示了良好的应用前景。IL-6在机体感染和组织损伤时迅速产生，通过刺激急性期反应、造血和免疫反应促进宿主防御[11]。IL-6在急性炎症反应中处于中心地位，诱导机体产生CRP和PCT，与炎症疾病及感染程度直接相关。Elgeidi等[11]研究发现与ESR、CRP相比，IL-6是诊断PJI最准确的实验室标志物。当IL-6>10.4 pg/mL和CRP>18 mg/L时，将识别所有PJI患者，其CRP+IL-6的组合诊断的敏感性和阴性预期值均为100%。Randau等[12]从PJI、无菌性松动和对照组三组中来研究IL-6的作用，结果发现PJI组IL-6水平明显高于无菌松动组和对照组，以2.6 pg/mL为临界值，特异性和敏感性分别为58.3%、79.5%。Qin等[13]研究确定血清IL-6和滑液IL-6的组合具有进一步改善PJI诊断的潜力，可使诊断慢性PJI的准确率提高了96.77%。综上所述，IL-6在PJI诊断中的作用越来越大，将其与其他的生物指标物相结合，能显著提高PJI的诊断率。

1.3 D-二聚体 D-二聚体是纤维蛋白凝块纤维蛋白溶解形成的纤维蛋白降解产物，反映血液凝固状态，在全身或局部感染、血栓形成和肿瘤疾病中增加。Shahi等[14]最早发现血清D-二聚体水平在确定PJI方面有很好的表现，敏感性为89%，特异性为93%。Li等[15]研究推测PJI患者中的D-二聚体可能是一种晚期诊断的生物标志物。但也有研究发现D-二聚体在诊断假体周围感染方面作用有限。Pannu等[16]认为D-二聚体在鉴别PJI和无菌松脱时的准确性较差(61.0%)，特异性较低(32.3%)。Xiong等[17]认为D-二聚体的诊断效率不高于CRP和ESR。Li等[18]的相关meta分析结果显示D-二聚体对PJI的诊断敏感性和特异性较低，并认为血清D-二聚体比血浆D-二聚体对PJI有更好的诊断价值。综上所述，D-二聚体在ICM和MSIS标准[6]的敏感性分别为86.9%和79.3%。就目前研究发现D-二聚体的诊断价值仍存在争议，但可以将其作为诊断PJI的一种很有前途的血清学标志物，可以与其他标志物结合使用或作为其他诊断方法的辅助手段，以提高PJI的诊断性能。

1.4 血清脂多糖结合蛋白、可溶性尿激酶型纤溶酶原激活剂受体 血清脂多糖结合蛋白是存在于正常人和动物血清中一种糖蛋白，其对细菌内毒素，即脂多糖中的类脂体A具有高度亲和性，易与脂多糖结合，是介导炎症反应和抗炎反应的首要环节。可溶性尿激酶型纤溶酶原激活剂受体是一种对全身信息和感染作出反应而分泌到血清中的糖蛋白。Friedrich等[19]将PJI组与无菌松动组比较发现，脂多糖结合蛋白在PJI中显示出明显较高的数值，当临界值>7 ng/mL时，特异性和敏感性分别为66%、71%，与CRP结合PJI的阳性预测值为0.67，两者都为阴性预测值为0.77。这说明PJI患者的血清脂多糖结合蛋白水平升高，但并不比血清CRP更能准确的诊断PJI。Ni等[20]研究报道血清可溶性尿激酶型纤溶酶原激活剂受体可能是诊断和预后细菌感染的生物标志物，但它对区分脓毒症和全身炎症反应综合征相对无效。一项研究结果[21]发现，PJI患者的血清可溶性尿激酶型纤溶酶原激活剂受体显著增加，并且与CRP、IL-6、IL-1和肿瘤坏死因子-α以及趋化因子配体2呈显著正相关。该研究清楚地表明了可溶性尿激酶型纤溶酶原激活剂受体与常规炎症参数(如CRP)在PJI诊断中的诊断潜力。目前这两种生物标志物的研究仍处于起步阶段，需要进一步的临床研究来验证作为PJI的潜在诊断生物标志物。

1.5 细胞间黏附分子-1 细胞间黏附分子-1又称为CD54，其作用是增强白细胞、炎症细胞等内皮细胞间的黏附作用，参与炎症反应及免疫应答等病理过程。Worthington等[22]通过对比无菌性松动的患者，发现PJI患者的血清细胞间黏附分子-1水平明显升高(P<0.001)。Drago等[23]研究发现细胞间黏附分子-1与CRP在PJI的患者中成线性增长关系。这些研究均说明血清细胞间黏附分子-1可以作为PJI患者的诊断预测生物标志物，但它们的真实临界值和动力学仍未确定，需要进一步研究。

1.6 趋化因子配体2 趋化因子配体2是属于CC趋化因子家族的一种单体蛋白，由单核/巨噬细胞和树突状细胞产生。由基质金属蛋白酶-12执行，趋化因子配体2变得活跃，并开始招募单核细胞、记忆T细胞和树突状细胞到炎症部位[21]。Galliera等[21]研究发现与对照组患者相比，受PJI患者的趋化因子配体2值显著升高。Marazzi等[3]证实了与假体无菌松动患者相比，PJI患者趋化因子配体2水平显著升高，受试者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲线分析也显示出趋化因子配体2对PJI有较好的诊断价值。综上所述，趋化因子配体2在诊断PJI中是一个很有潜力的生物标志物，但是文献中对趋化因子配体2的研究相对较少，需要大量进一步研究验证其诊断作用。

2 滑液生物标志物

滑液生物标志物一般是直接通过关节穿刺或者关节手术获得，滑液是原发感染部位，理论上应比血清更具敏感。诊断PJI最常用的滑液标志物有滑液C反应蛋白、白细胞酯酶、滑液IL-6、α-防御素等。Saleh等[24]通过meta分析表明它们在PJI中都有很高的诊断效用。Lee等[25]也基于滑液生物标志物进行meta分析，结果提示滑液白细胞计数、多形核白细胞%、滑液CRP、α-防御素、白细胞脂酶、滑液IL-6和IL-8均显示出诊断PJI的高灵敏度，其中α-防御素是最佳滑液生物标志物。

2.1 白细胞脂酶 白细胞脂酶是人体白细胞内含有的一种特异性酶类，当人体发生炎症反应时，多形核白细胞的趋化性在炎性病灶聚集而大量释放白细胞脂酶，白细胞脂酶只存在于中性粒细胞中。临床上通过白细胞脂酶试纸比色反应检测获得，其中++、+++被定义为阳性，+为阴性[26]。Di等[26]研究表明，白细胞脂酶测试诊断PJI的敏感性和特异性分别为81%和97%，其具有良好的术中诊断准确性，尤其是在阴性结果的情况下，它能够排除PJI的假设。Li等[27]通过meta分析白细胞脂酶在PJI患者中的诊断性能，其结果提示白细胞脂酶是有价值的滑液标志物，可用于识别具有相当高诊断准确性的PJI。综上所述，白细胞脂酶是一个很有价值的滑液标志物，且较其他检测指标费用低廉、简便，当临床医生在怀疑诊断PJI时，可考虑结合白细胞脂酶检测以提高诊断率。

2.2 α-防御素 α-防御素是一种富含半胱氨酸的抗菌肽，存在于体内多种类型的细胞中。作为对病原体入侵的先天免疫反应，激活的中性粒细胞可以释放α-防御素发挥抗菌活性。一项基因组研究表明，α-防御素的表达和释放是中性粒细胞对感染性关节炎的特异性反应，不受非感染性炎症(如急性痛风性关节炎)的影响[28]。这表明α-防御素有可能成为检测PJI的准确指标。Deirmengian等[29]研究结果表明，α-防御素检测不受既往抗生素治疗的影响。Lee等[25]通过各个滑液生物标志物对PJI诊断性能的meta分析，结果提示α-防御素是最佳的滑液生物标志物。一项新的前瞻性研究[30]结果显示，α-防御素侧流试验的敏感性和特异性为98.5%和98.2%，其证明了α-防御素侧流试验在PJI中的可靠诊断性能。总之，α-防御素是目前滑液生物标志物中的一个具有极高诊断价值的标志物，当滑液α-防御素指标(信号截止比)>1.0时，应高度怀疑PJI。

2.3 滑液CRP 滑液CRP是机体受到炎症性刺激时肝细胞合成的急性相蛋白，可以增强补体的激活和吞噬作用。滑液CRP可直接通过原发感染部位关节穿刺获得，相对于血清CRP应具有较高的敏感性。Wang等[31]meta分析结果显示，滑液CRP对PJI的诊断敏感性和特异性分别为0.92%和0.90%，提示滑液CRP是诊断PJI的良好生物标志物。Praz等[32]通过前瞻性病例对照研究表明，在诊断髋关节和膝关节PJI时，滑膜CRP检测并不比血清CRP更具鉴别力。血清CRP水平>9 mg/L是PJI的标志，这与原发感染部位获得的滑液CRP具有更高的敏感性猜测相反。Gallo等[33]也通过临床研究表明血清/滑膜IL-6与滑膜CRP同时阳性几乎可以排除PJI的假阴性检测。以上说明滑液CRP具有良好的诊断PJI性能，临床上可结合其他标志物辅助诊断PJI。

2.4 Toll样受体(Toll-like receptors，TLR) TLR是抵御入侵病原体的第一道防线，通过识别入侵细菌并激活旨在消除病原体和修复受损组织的炎症反应。在TLR中，TLR-2和TLR-4分别识别广谱的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，并诱导主要的炎症反应。PJI患者致病菌大多为革兰氏阳性菌为主[34]。Galliera等[35]通过研究TLR-2在PJI的诊断性能，其结果显示在PJI患者中TLR-2与IL-6均表现出强烈的正相关，在PJI中TLR-2参与了对革兰氏阳性菌的识别和反应，证实了TLR-2在PJI检测中的重要性。Cipriano等[36]通过送检翻修术中PJI患者的假体周围组织样本进行TLR-1和TLR-6分析，结果表明TLR-1和TLR-6诊断PJI的最佳阈值分别为是0.0924和0.0215，提示TLR-1表达可较准确地预测PJI。相对于其他生物标志物，TLR检测为术中取样检测，一般在临床上很少用于检测PJI，但TLR测量可能会特别有助于检测培养阴性的感染和避免由污染导致的假阳性。

3 用于PJI诊断的新研究

下一代测序(next generation sequencing，NGS)是一种新兴的微生物诊断方法，可以同时检测样本中存在的所有核酸，包括来自宿主的核酸。Yin等[37]研究通过对比NGS、细菌培养和血清生物标志物在PJI中的诊断价值发现，NGS诊断PJI的敏感性(93.3%)明显高于细菌培养(47.0%)；此外，NGS对培养阴性的病例显示出更高的阳性诊断率(87.5%)。这表明NGS比细菌培养方法和常用的血清学生物标志物具有更高的准确性和灵敏度，因此其检测PJI的诊断价值相对更高。

Tirumala等[38]通过研究血小板/平均血小板体积比值(platelet/mean platelet volume ratio，PVR)、血小板/淋巴细胞比值(platelet/lymphocyte ratio，PLR)在PJI患者中的诊断作用，其研究结果表明PVR和PLR易于从全血细胞计数中获得且价格低廉，当与血清和滑液标志物结合使用时其敏感性和特异性与α-防御素相当。Wang等[39]研究白蛋白、球蛋白、白蛋白与球蛋白比率在PJI患者中的诊断作用，其发现与无菌患者相比，PJI患者的球蛋白水平显着升高(P<0.01)，而白蛋白和白蛋白与球蛋白比率水平显着降低(P<0.01)，提示球蛋白、白蛋白与球蛋白比率在诊断PJI上是有潜力的生物标志物。综上所述，PVR、PLR、球蛋白、白蛋白与球蛋白比率都显示了其在诊断PJI中的作用，但是研究相对较少，仍需要进一步大样本量证实其在PJI中的诊断作用。

4 总结及展望

虽然已经加强了关节置换术中及术后患者的管理，但遗憾的是PJI仍可能会发生。随着实验室检测技术的不断进步，越来越多的实验室指标将可用于PJI的诊断。本综述通过总结了近些年来用于诊断PJI的生物标志物，分别阐述了其在PJI诊断中的敏感度和特异性，旨在为临床医生确诊PJI提供参考辅助指标。目前诊断PJI的“金标准”生物标志物仍然未发现，在诊断PJI患者时，尤其是细菌培养阴性的患者，必须依靠临床表现、体格检查结果，灵活应用其生物标志物，在不同情况下去选择最合适的检验。2018年新诊断标准将白细胞酯酶、α-防御素、滑膜CRP以及血清D-二聚体、ESR和CRP纳入一个综合评分系统用来诊断PJI，这为目前PJI的诊断提供了一个可靠的指南，随着新技术的发展及研究，相信未来可能会有其他更为准确的生物标志物加入这个列表。同时，未来仍有很多生物标志物需要临床的大规模前瞻性的多中心随机对照研究来证实其在PJI中的诊断性能。