假体周围感染遗传易感性的研究现状△

董 柏，郑 稼，董永辉，代志鹏

［河南大学人民医院（河南省人民医院）骨科，河南郑州 450003］

人工关节感染（prosthetic joint infection, PJI）是导致关节置换术失败的最严重的并发症之一，据报道，PJI 的发病率为0.8%～1.4%［1］。PJI 的发生将给患者带来巨额的经济负担和难以接受的痛苦。由于其发病机制目前仍不明确，尽管外科医师已经通过缩短手术时间、优化手术无菌环境和控制术前血糖、BMI等方式来降低PJI 的发生率，但随着接受关节置换手术的患者不断增加，PJI 仍是导致手术失败的重要原因［2，3］。自从1996 年单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP）被认为是“第三代分子标记”以来，从基因层面探究疾病的发病机制和研发新的治疗手段已经成为当下热门。随着测序技术的发展，现已发现越来越多单核苷酸多态性位点与疾病的发生有关。本文对关于PJI 的SNP 已有研究成果进行综述（表1）。

表1 PJI 相关基因的SNP 位点研究现状

1 白细胞介素（interleukin, IL）

IL 是一种调节蛋白。当人体受到如感染、创伤和缺氧等应激时，会激活细胞内第二信使和信号转导通路并参与机体的免疫反应。研究发现IL 在PJI 患者的血清或关节液中表达明显升高，其中IL-1、IL-6、IL-17 的诊断效能相对较高，被推荐作为PJI 的诊断标志物［4］。

IL-1 家族是最大的白细胞介素家族，有11 个成员。IL-1β 由一个7.5kb 的包含7 个外显子的基因编码，IL-1β 在IL-6 和肿瘤坏死因子-α（tumour necrosis factor-α, TNF-α）的参与下共同触发复杂的炎症反应，将先天性免疫反应和适应性免疫反应联系起来并增强了宿主对感染的抵抗力［5］。Stahelova 等［6］收集471 例捷克患者血样，包括89 例PJI 患者及214例无菌性松动患者和168 例健康对照组受试者，测序结果显示携带rs16944 T 等位基因显著增加了PJI 的易感性（P=0.006），而rs1143634 与PJI 的发生无显著相关性。Erdemli 等［7］纳入88 例土耳其患者，发现PJI 患者的关节液中IL-1α 和IL-1β 的表达升高（P＜0.001），IL-1 的RN-VNTR 多态性与PJI 的患病风险有统计学意义（P=0.002）。

IL-6 是一种急性期反应蛋白，当机体受到损伤等应激反应时，巨噬细胞和单核细胞等立即产生并释放IL-6 参与对病原体的清除和组织修复工作。在最近发布的指南中，血清IL-6 水平被推荐为PJI 诊断的补充指标［8］。邵明鑫等［9］通过对急性PJI 患者进行术后随访，发现保留假体的清创术具有良好的疗效并且显著降低了血清IL-6 的水平。有研究发现IL-6启动子区域的IL-6-174 位点（rs1800795）可能与其血清浓度有关［10］。Erdemli 等［7］发现IL-6 在PJI 患者血清中的表达显著升高（P＜0.001），但在关节液中并没有发现显著差异，通过测序发现rs1800795 的C等位基因会增加PJI 的患病风险（P=0.03,OR=9.71）。而Malik 等［11］的一项研究得出了不同结论，该研究并未发现rs1800795 和rs1800797 与PJI 的相关性。Stahelova 等［6］也得出了类似结论，并且通过最大期望法估算单倍体频率，在rs1800795 和rs1800797 位点发现了较强的连锁不平衡，但各组间单倍型频率分布无统计学意义。

辅助性T 细胞17（T helper cell 17, Th17）是一种新发现的能够分泌IL-17 的T 细胞亚群，在自身免疫性疾病和机体防御反应中具有重要的意义。其分泌的IL-17A 诱导CXC 趋化因子配体1（CXC-chemokine ligand 1, CXCL1） 和CXC 趋化因子配体5（CXC-chemokine ligand 5, CXCL5） 的释放，通过CXC 趋化因子受体2（CXC-chemokine receptor 2,CXCR2）刺激中性粒细胞趋化，导致中性粒细胞向感染部位积聚［12］。Navratilova 等［13］招募98 例捷克PJI 患者和438 例对照组受试者对上述Th-17 通路相关IL及趋化因子进行基因测序，但结果显示IL-4 rs2243250、IL-12A rs583911、IL-12B rs17860508、IL- 12B rs3212227、 IL- 17A rs2275913、 IL- 17F rs763780、IL-23R rs7517847、CXCL1 rs4074、CXCR2 rs2230054、CXCL5 rs425535 均与PJI 的发生无显著相关性。

2 甘露糖结合凝集素 (mannose-binding lectin,MBL)

MBL 是先天性免疫的重要成员，是一种急性期蛋白，在肝脏中合成，分泌并储存于血浆中。MBL的功能包括参与补体的激活、炎症因子的调节等［14］。有大量研究指出MBL 的遗传差异会导致感染性疾病、传染性疾病、自身免疫性疾病的易感性增加［15～17］。人类MBL 是 由MBL2 基因编码的，位于10q11.2-q21。研究显示其外显子1 的第52 位（rs5030737） 、 54 位 （rs1800450） 、 57 位（rs1800451） 密码子突变及启动子的- 550（rs11003125）、-221（rs7096206）、+4（rs7095891）位点的H/L、X/Y、P/Q 变异可能与MBL 的血清浓度和功能相关［18］。

Malik 等［19］招募312 例来自英国的患者，采用SNaPshot 方法进行基因测序，发现与对照组相比rs11003125 的L 等位基因（P=0.01,OR=1.90,95%CI=1.14～3.16）、LL 基因型（P=0.05）、rs1800450 的GG基因型（P=0.05,OR=1.47, 95%CI=0.79～2.72）与PJI的发生有显著相关性，而rs7096206 和rs5030737 与PJI 无显著相关性。Navratilova 等［20］收集357 例捷克患者血样进行测序也得出了类似结论，与健康对照组相比，rs11003125 的L 等位基因（P=0.01,RR=1.595,95%CI=1.119～2.274）、LL 基 因 型（P=0.006, RR=1.944, 95%CI=1.213～3.113）均增加了PJI 的易感性，rs1800450、rs7096206 在捷克患者中并未发现与PJI的患病风险相关。但其根据手术部位的不同进行分层分析时发现髋关节PJI 患者rs7096206 的XX 纯合子基因型频率（P=0.048）显著高于无菌松动组。该研究还测定了患者的血清MBL 浓度，结果显示存在“基因-剂量”效应，携带rs11003125 L 等位基因、rs7096206 X 等位基因、rs1800450 A 等位基因会显著降低血清MBL 浓度。此外，作者还发现了-550、-221 和+54 位点存在显著的连锁不平衡，构成了4 种单倍型HYG、LYG、LXG 和LYA，然而与对照组相比4 种单倍型的频率分布未发现统计学差异。

3 Toll 样受体（toll-like receptors, TLR）

TLR 是一种跨膜蛋白，主要参与先天性免疫反应。目前已经发现的人TLRs 家族成员有11 个，其中TLR2 在11 个家族成员中占有特殊地位。TLR2 通过与TLR1 或TLR6 形成异二聚体参与对革兰氏阳性菌的免疫应答。而其他TLRs 通常形成同源二聚体，其中TLR4 在质膜上表达并参与对革兰氏阴性菌的脂多 糖（lipopolysaccharide, LPS）的识 别［21］。Tamaki等［22］在PJI 和无菌性松动患者的关节滑膜中均发现了TLR2、TLR4 的高表达。

Żukowski 等［23］在299 例需要接受心脏外科手术的患者中发现TLR2 R753Q（rs5743708） GA 基因型人群的金黄色葡萄球菌鼻携带率明显高于GG 野生型纯合子（P=0.0005）。El-Helou 等［24］设计了一个体外模型细胞实验，通过转染HEK293 细胞表达TLR2 野生型基因及R753Q 突变基因，然后与金黄色葡萄球菌的肽聚糖（peptidoglycan,PGN）共同孵育，结果显示TLR2 R753Q 突变型基因损害了细胞对金黄色葡萄球菌PGN 的免疫和炎症反应。但是其临床实验通过收集76 例由金黄色葡萄球菌感染所致的美国PJI 患者及208 例非感染美国患者的组织样本进行基因测序，结果显示R753Q SNP 的基因型与等位基因分布均与PJI 的发生无显著相关性。Mrazek 等［25］对350例捷克白种人的血清样本进行测序也得出了类似结论，结果显示TLR2 R753Q、TLR4 D299G（rs498679 0）、TLR4 T399I（rs4986791）均与PJI 无显著相关性。

4 TNF-α

TNF-α 作为一种促炎因子，在先天性免疫中发挥抵抗病原体的作用，其基因位于6q21.4，长约3.6 kbp，包含4 个外显子和3 个内含子。有研究发现其在假体周围环境中的表达与假体的生物相容性有关［26］。骨关节炎患者在接受关节置换术后，患者血清TNF-α 的水平处于较低且平稳的状态，当PJI 发生时血清浓度会相对升高，但由于其敏感性与特异性较低，并不适合作为PJI 的血清诊断标志物［27，28］。然而Erdemli 等［7］发现其在PJI 患者关节液中的表达显著升高， 并且通过测序发现TNF- α- 238（rs361525）的G 等位基因会增加PJI 的风险（P=0.006）。有研究也发现rs361525 与感染性疾病，如脓毒血症等的发展有关［29］。Stahelova 等［6］曾 对rs361525 和TNF-α-308（rs1800629）这两个SNPs进行分型研究，但并未发现其会导致PJI 的患病风险增加，这与上述研究的结论不同。

5 其 他

基质金属蛋白酶（matrix metallopeptidase,MMP）属于锌依赖性内肽酶家族。研究发现从感染的假体周围组织中分离出的金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌会分泌细胞外囊泡（extracellular vesicles,EVs）并且上调了MMP-9 的表达［30］。MMP 包含多种类型，MMP-1 是最普遍表达的间质胶原酶，其基因位于11q22.3。Malik 等［11］的研究显示MMP1-1 rs5854、 MMP1- 2 rs554499、 MMP1- 3 rs2397776、MMP1-4 rs470747 均与PJI 的发生无统计学意义。

骨保护素（osteoprotegerin,OPG）属于TNF 受体超家族，其基因位于8q23-24，主要由成骨细胞和骨髓基质细胞分泌并在人体骨组织中表达。既往有研究发现人工关节在使用过程中产生的钛微粒会引起OPG 配体的表达增高并促进骨吸收和骨溶解［31］。有研究在金黄色葡萄球菌感染所致的PJI 患者的组织中观察到了OPG 的表达［32］。Malik 等［33］曾在英国白种人群中对OPG 相关的SNP 位点测序时发现OPG-163（rs3102735）增加了髋关节PJI 的患病风险。但是3年后其发表了一篇简短说明纠正了数据错误，因此rs3102735、rs2073617、rs2073618 均与髋关节PJI 易感性无显著相关性［34］。Navratilova 等［35］通过对534名捷克受试者进行基因测序，结果显示rs3102725 不会增加PJI 的患病风险，这印证了前人的结论。

维生素D 受体（vitamin D receptor,VDR）是一种亲核蛋白，属于核类固醇受体超家族。VDR 通过与维生素D 结合发挥作用，既往认为维生素D 和VDR主要与人体骨代谢的调节有关，而其在免疫反应中的作用是当下研究的热点。张恒维等［36］发现维生素D会通过影响巨噬细胞极化来调节人体的免疫反应。He 等［37］对550 名中国儿童的血样进行测序，发现VDR 的基因多态性可能与儿童脓毒血症的易感性有关。Malik 等［11］招募了312 名来自英格兰的白种人，通过测序发现VDR-T 的T 等位基因频率（P=0.007,OR=1.76,95%CI=1.16～2.66）和TT 基因型（P=0.028）增加了髋关节PJI 的易感性。

6 小 结

PJI 是关节置换术后的严重并发症，目前PJI 的治疗方式中保留假体的清创术联合置管引流和二期翻修术的优势已被认可［38，39］。但多次手术带来的痛苦和昂贵的费用是患者所不能承受的，由于骨科假体周围的微环境易于微生物定植和生物膜的形成，使PJI的诊断和治疗难度较高，因此通过对PJI 基因多态性的研究进一步探索其发病机制和研发新型药物是有意义的［40］。由于基因在不同地区和种族间存在遗传差异，我国属于多民族大国，且目前对于PJI 遗传易感性的研究较少，因此投入大量精力对我国不同地区和种族人群进行基因多态性研究是非常有必要的。