噬菌体疗法防治关节假体周围感染研究进展

程子梁 吴伟山 王象鹏 尹纪光

关节假体周围感染（PJI）是关节置换术后最严重的并发症[1]。韩国髋、膝关节置换术后PJI 发生率为2.3%～2.8%，且PJI 发病有持续增长的趋势[2]。有研究预测，2030 年美国髋、膝关节置换术后PJI相关年度住院费用总额将高达18.5 亿美元[3]。一项不完全统计显示，我国因PJI 导致的翻修率约为0.96%[4]。尽管全球范围内PJI 预防水平和理念不断提高，但PJI 的总体发病率仍有上升趋势[5-6]。PJI的治疗方法主要有保留假体清创术、一期翻修术、二期翻修术[7]，其治疗失败与慢性感染、患者自身免疫受损及抗生素耐药性相关[8]，抗生素耐药性和细菌表面生物膜是导致后期治疗失败的主要原因[9]。美国传染病学会指南建议通过二期翻修术治疗顽固性PJI[10]。虽然二期翻修术作为PJI 治疗的“金标准”，但在临床中治疗失败率高达28%[8]。细菌病原体抗生素耐药性、假体周围细菌生物膜产生对PJI 治疗具有重大威胁，给临床医生带来诸多困扰，因此迫切需要有效的治疗方案。

噬菌体是侵袭细菌的病毒，也是赋予宿主细菌生物学性状的遗传物质[11]。噬菌体应用广泛，可以用于分子生物学研究、细菌鉴定和分型、检测和控制致病菌等。噬菌体在宿主细胞中生长繁殖，能够引起致病菌裂解，降低致病菌密度，从而减少或避免致病菌感染，达到治疗和预防疾病的目的[12-14]。噬菌体是地球上最丰富和最多样化的生物体，其代谢和运行机制也具有多样性，在生态系统稳定中发挥重要作用[15]。

1 PJI 的细菌发病机制

PJI 主要是由于术中污染或术后血行传播导致，最常见的致病菌是金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌[16-17]。无菌操作不规范和手术时间较长都可能污染术区，从而引起PJI[18]。术后血行感染是指致病菌入血，通过血液循环到达术区，进而导致细菌定居繁殖。糖尿病、肥胖、吸烟、低蛋白血症、免疫功能低下等都是导致PJI 的高危因素[19-20]。

生物膜是覆盖假体周围的三维复杂微生物群落，它是PJI 病程中致病菌、人体、假体三者相互作用的结果。生物膜由细胞外聚合物组成，主要由多糖、蛋白质、核酸和脂质构成，不同致病菌的生物膜表型可能不同[21]。生物膜形成经历了黏附、增殖、成熟和脱离4 个过程。致病菌先黏附到假体表面，然后细菌聚集，细胞外聚合物产生，增殖成微菌落，再进一步重塑，最终成熟为大菌落[22]；细菌繁殖不断消耗营养物质和积累代谢废物，再从成熟的生物膜中脱离，然后扩散到其他地方，形成新的生物膜[23]。生物膜形成会干扰宿主免疫系统，抑制巨噬细胞的吞噬作用，使致病菌更易入侵[24]。随着感染逐步加重，骨质不断丢失，最终引起窦道形成、假体松动及功能丧失。有学者强调假体磨损与感染的关联性，认为需研制优质抗菌和耐磨的假体来减少PJI 发生[25]。

2 噬菌体治疗PJI 的机制

从裂解细菌机制来识别，噬菌体可分为烈性噬菌体和温和性噬菌体两种。温和性噬菌体可将自身DNA 或RNA 整合到宿主细菌的DNA 上，当宿主细菌DNA 复制时，通过参与其复制影响相关蛋白表达，从而达到清除细菌的目的[26]。烈性噬菌体在复制后期可表达穿孔素和溶菌酶，通过穿孔素与溶菌酶相互作用，特异性裂解细菌。穿孔素为一种疏水性蛋白，裂解过程开始后穿孔素在胞质膜上打孔，使裂解酶接触细菌的细胞壁并水解肽聚糖骨架的共价键，破坏细胞壁，从而达到裂解宿主菌的目的[27-29]。

噬菌体治疗PJI 的机制涉及噬菌体与致病细菌之间的相互作用和噬菌体自身的生物学特性。噬菌体在感染细菌时，可以通过以下方面发挥清除细菌的作用。①选择性寄生。噬菌体具有高度专一性，只能感染特定靶细菌，特异性杀死细菌与耐药菌株[29]。②细胞定位与繁殖。噬菌体具有“智能识别”功能，可以通过识别致病菌表面的受体，将基因组注射至致病菌内部，利用细菌内部原料进行繁殖，释放更多的噬菌体[30]。③免疫刺激。宿主免疫反应也可以在生物膜破坏中发挥作用。噬菌体可以诱导致病菌的免疫反应，包括炎症反应和细胞凋亡，从而促进致病菌清除[31]。④生物膜渗透。噬菌体分泌的多糖解聚酶能够有效裂解细菌生物膜，从而使细菌易被免疫识别和清除。Newberry 等[32]研究发现，噬菌体能阻止生物膜形成，并破坏由这些菌株产生的生物膜。噬菌体使用后继续进行抗生素治疗被称作序贯疗法，此方法对侵袭和破坏细菌生物膜的效果更佳，噬菌体能够有效地穿透生物膜，抗生素能更好地清除暴露的细菌[33]。Morris等[34]报道，将万古霉素、噬菌体与万古霉素联合分别用于金属假体PJI 动物模型的治疗，结果显示噬菌体与万古霉素联合组的灭菌效果约是万古霉素组的4.5 倍。

3 噬菌体防治PJI

假体周围所形成的细菌生物膜能抵挡抗生素侵蚀与免疫攻击，如果治疗方式不当，可能发展为慢性感染或全身性感染，严重者可危急生命。研究显示，无论是否进行手术干预，较长时间的使用抗生素可能对PJI 的预后不佳，容易产生较多的不良反应[35]。噬菌体可以在PJI 防治中发挥重要作用。

3.1 预防PJI

3.1.1 应用于植入物

在骨水泥中混合噬菌体或用噬菌体涂覆假体可防止PJI 发生。在用噬菌体包被植入物时，可以选择单个噬菌体或噬菌体混合物。Sosa 等[36]将特异性噬菌体与万古霉素组合用于小鼠假体，结果显示假体周围组织减少，植入物表面的细菌负荷降低。Kaur 等[37]将涂有特异性噬菌体和抗生素的克氏针植入小鼠关节假体周围，结果显示细菌黏附明显较少，关节周围相关炎症较轻。因此，使用噬菌体与抗生素涂覆植入物可以降低植入物感染风险，成为预防PJI 的有效措施。

3.1.2 消毒与无菌换药

创面形成后，皮肤构成的人体天然屏障遭到破坏，人体组织可能受到细菌等微生物的侵袭，导致更为严重的感染和组织损伤。研究发现，术后创面血肿、浅表手术部位感染、伤口引流不畅和伤口不愈合等都会增加PJI 发生的风险[38]。有研究使用含有噬菌体成分的凝胶和喷雾剂喷洒皮肤与创面，结果显示其具有较强的杀菌活性，可加快创面愈合[39]。临床上可以在手术前涂抹术区来去除致病微生物，用来预防关节置换术后的PJI。术后换药时，用噬菌体混合物消毒可以有效减少靶细菌。因此，噬菌体对创面的恢复有积极影响，理论上可以减少PJI 发生的风险。

3.2 治疗PJI

3.2.1 保留假体

对于早期PJI，有组织推荐保留假体的清创术联合足量有效抗生素（DAIR）作为主要治疗手段[40-41]。Ferry 等[42]使用关节镜技术进行DAIR 治疗，局部注射特异性噬菌体与抗生素的混合物治疗1例致病菌为铜绿假单胞菌的膝关节PJI 高龄患者，感染得到有效控制，并称此疗法为“Phage DAIR”。Cano 等[43]治疗1 例肺炎克雷伯杆菌为主要致病菌的膝关节PJI 患者，通过40 次静脉注射特异性噬菌体，同时使用抗生素，假体并未取出，最后局部症状和感染体征消退，膝关节功能恢复。因此，噬菌体可以作为抗生素佐剂治疗耐药菌引起的PJI，为不能耐受翻修术的患者带来一线曙光。

3.2.2 联合清创翻修

髋及膝关节翻修术中，噬菌体混合物联合使用可以取得显著疗效。Doub 等[44]采用二期翻修术治疗1 例耐甲氧西林金黄色葡萄球菌膝关节PJI，使用含万古霉素和妥布霉素的间隔物进行旷置，在手术结束时，将2 种噬菌体溶于10 mL 生理盐水配成鸡尾酒局部直接冲洗使用，术后使用妥布霉素、噬菌体同时溶于50 mL 生理盐水中静脉滴注，最后获得成功。Cesta 等[45]使用上述类似方法治愈了1 例慢性铜绿假单胞菌髋部PJI 的患者。Ramirez-Sanchez 等[46]报道了1 例膝关节假体翻修术后再次慢性感染的病例，使用上述方案，达到了临床治愈，避免了膝关节融合与截肢。

4 存在的问题

4.1 噬菌体敏感性

每个噬菌体都有宿主范围，这个宿主范围是由噬菌体对特定细菌细胞表面附着受体的亲和力决定的[47]。只有噬菌体对一些宿主细菌敏感时，才具有强大的消除生物膜和裂解代谢细菌的能力，并不是所有噬菌体都可以用作PJI 治疗剂[48]。因此，监测治疗过程中细菌敏感性尤为重要。

4.2 噬菌体活性

噬菌体活性决定了临床疗效，在使用之前要确保噬菌体治疗剂对宿主细菌的裂解活性。在治疗PJI 时，通常采用从关节中穿刺取得并培养的细菌，然后检测其裂解活性，最常见的试验是噬菌体诱导的生长抑制实验[49]。

4.3 宿主细菌对噬菌体的耐药性

在治疗过程中，宿主细菌可通过改变或抑制自身受体表达来产生对噬菌体的抗性。有研究证明，噬菌体耐药性少见，但静脉使用比局部使用能够诱导更强的体液免疫应答，可能产生耐药性[50]。

5 结语

目前PJI 治疗多依赖抗生素，但抗生素耐药性又很棘手。未来噬菌体疗法很可能成为解决抗生素耐药问题的有效方法。它在感染性和非感染性疾病的预防和辅助治疗中均有广泛应用前景，从基础研究向临床转化势在必行。目前我国尚未有应用于PJI 的相关案例报道，国外多为个案报道。由于缺乏大规模、随机性、可控的研究，很难评估噬菌体治疗PJI 的不良反应和潜在影响，但目前的研究结果表明，噬菌体疗法并无明显不良反应，其有效性和安全性仍需进一步研究。