人工关节感染的实验室诊断研究进展

田学东，王曦光 综述，季晓风 审校

（吉林大学中日联谊医院 骨科，吉林 长春 130012）

人工关节感染的实验室诊断研究进展

田学东，王曦光 综述，季晓风 审校

（吉林大学中日联谊医院 骨科，吉林 长春 130012）

人工关节感染（Periprosthetic Joint Infection，以下简称PJI）是国内外公认的关节置换术后灾难性的并发症，它会引起假体感染性松动，导致手术失败，有时引起局部甚至全身性炎性反应，增加了患者的身心负担和经济负担。人工关节感染的研究多来自髋膝关节的资料。虽然通过规范地预防性应用抗生素以及更严格地无菌术等措施使感染率 降到1.5%左右，但PJI患者并不罕见。

细菌感染后会在假体周围形成一层细菌生物膜在假体关节中存在的主要方式，而以浮游方式存在于假体周围软组织中的细菌只是很少一部分［1］。生物膜形成的时间因感染细菌种类而不同，大约是术后数周，在生物膜形成之前如果得到诊断，可以通过保留假体的清创和应用敏感的抗生素；而晚期的感染只能通两期手术，一期采用抗生素骨水泥间置块控制炎症，更换新的假体进行第二期手术，采用一期手术假体置换的效果并不满意［2］。

1 PJI实验室诊断的主要措施和诊断标准

PJI的实验室诊断可分为细菌检测和人体免疫应答检测。细菌检测有细菌培养和PCR技术等，单纯依靠上述两项检查可能会因为假阳性或假阴性而误诊。人体免疫应答检测，如全身性标志物检测如血沉，血CRP和IL-6水平，以及局部实验室检查，如关节穿刺液化验白细胞计数或组织活检病理学检查。

这些检查在理想状态下会有很高的敏感性和特异性，然而可能会受到其他因素如身体其他部位伴随的感染或某些自身免疫病以及痛风等疾病的影响［3］。导致实验室诊断出现假阳性和假阴性的因素有标本污染，取材、保管、运输不当，各项检验的参考范围不一致，疾病本身的特点，观察者的因素等。

由于各项诊断指标临界值的缺乏，所以对人工关节感染诊断标准一直不明确。美国骨科感染学会（MSIS）提出新版的PJI诊断标准［4］如下：

（1）存在一个与假体相通的窦道；或者

（2）感染假体周围至少两处软组织或关节液中培养分离出一种感染微生物；或者

（3）以下六项中存在四项：（a）血沉和CRP升高，（b）关节液白细胞计数升高，（c）关节液中性粒细胞百分比升高（PMN%），（d）受影响的关节内存在脓液，（e）从一处假体周围组织或关节液中培养分离出感染微生物，或者（f）假体周围组织的病理学分析，在五个400倍高倍镜视野下每个视野至少见到五个中性粒细胞。

2 血清学检测

一般在怀疑PJI时，最常做的实验室检查是血常规、血沉和CRP。近年来，血清IL-6和降钙素原（PCT）的研究和应用逐渐增多。

由于影响白细胞数量的因素较多，白细胞计数对PJI诊断的敏感性和特异性都很低，不同微生物感染时白细胞计数可以升高、降低甚至缺乏。Gregory等人［5］分析了15492名初次全髋和全膝关节置换患者，得出的结论是在缺乏其他的临床表现的时候，术后白细胞的升高是人体对手术正常的炎性反应，无需进行进一步的检查，只靠白细胞计数作为诊断PJI指标略优于单纯随机猜测。导致增高的相关因素包括年龄、女性、较高的查理森合并症指数、术前白细胞较高和膝关节置换。典型的白细胞升高峰值出现在术后第二天，随后逐渐降到正常水平。对于膝关节置换，双侧比单侧更容易产生白细胞增多的现象，而髋关节置换无类似表现。因此，下肢关节置换术后不要因为单纯血白细胞增高而做不必要的病情检查［6］。

C反应蛋白（CRP）和血沉（ESR）都是非特异性的炎性指标。CRP是由肝脏产生的一种蛋白质，对于术前正常的患者，手术中截骨和切割软组织等因素，术后出现血沉和CRP的生理反应性升高，升高可持续两周。CRP的高峰比血沉早，CRP水平在术后2个月内降到正常，然而血沉可能持续数个月［7］。手术前CRP正常的患者，如果术后3个月仍高于正常或者下降后又上升，提示可能存在PJI。

可能引起CRP假阳性的因素有异位骨化、身体其他部位的炎症反应如支气管炎、伴有系统性结缔组织病等。CRP正常通常提示不存感染，但也可能是由于抗生素的应用或低毒性细菌感染导致的假阴性。

目前对于ESR和CRP用于诊断PJI并没有明确的参考值。Ghanem等人［8］通过对479名接受全髋置换患者的回顾性队列研究发现，血沉标准30 mm／h，其敏感性是94.3%，CRP标准10mg／L，其敏感性是91.1%，而二者结合，敏感性则为97.6%。通过ROC特征曲线得到的ESR和CRP的界限值分别是31mm／h和20.5mg／L。

白细胞介素6（IL-6）是由单核巨噬细胞系统产生的一种急性时相反应蛋白，被认为是关节感染的高预测性因子。其峰值出现在TKA和THA术后6到12小时，在术后48到72小时恢复正常［9］。

Shah等人［10］研究显示术后6小时时IL-6升高与PJI相关，在PJI的临床症状出现前血清IL-6水平就有了明显的变化。Buttaro等人［11］报道CRP和IL-6联合应用可以作为一种诊断PJI的有用的诊断工具。二者联合对髋关节的诊断的敏感性、特异性、阳性预测值和阴性预测值分别是57%，100%，100%，94%，与术中组织冰冻切片检查相似。最近的一项meta分析表明，IL-6和CRP可能是诊断PJI最准确的炎性标志物［12］。所以，IL-6将来会更广泛地应用于指导PJI的临床诊断，鉴别假体的无菌性松动和感染性松动。但应注意排除类风湿关节炎等炎症性关节病。

降钙素原（PCT）是降钙素的前体，细菌感染时机体多个组织来源的细胞均可产生，是全身各部位感染和脓毒症早期诊断和确认指标，可反映全身细菌感染严重程度。对于PJI的诊断，PCT敏感性不如CRP（分别为33%和95%），特异性相似（分别为98%和96%）。TNF-α是由单核细胞产生的一种作为对感染的应答的细胞因子。Bottner［13］等人评估了TNF-α在诊断PJI中的作用，其敏感性是43%，特异性是96%。由于敏感性较低，PCT和TNF-α都不能作为诊断PJI的良好指标。

3 关节穿刺关节液检查

作为有创性的检查，可在怀疑感染时进一步确诊应用。膝关节穿刺术相对简单，而髋关节穿刺往往需要在影像设备引导下进行。目前对于关节液检查，主要有细胞分类和计数，蛋白质测定，革兰染色和细菌培养。其中，细菌培养和药敏试验可以为翻修术中抗生素的使用提供参考，防止由于使用广谱抗生素产生耐药菌等不良后果［13］。

PJI存在会导致关节液中白细胞增多，中性粒细胞百分比增高。由于关节穿刺部位不同，计量单位不一致，目前尚无用于PJI诊断的统一标准。Ghanem等人［14］通过对429膝的研究，得到了用于感染诊断的关节液中粒细胞百分比的值是大于64%，并证明与血沉和CRP综合可提高检测的敏感性和特异性。

关节液成分复杂，存在PJI时，关节液中蛋白质含量变化可提示感染。由于关节液中某些PJI的标志物含量高于血清中的含量，所以检测关节液的准确性更高，如已证实关节液CRP检测相对于血清CRP检测具有明显的优势［15］。Christina等人［16］发现了关节液内5种与PJI相关性最大的蛋白质（IL-6，IL-8，α2微球蛋白，CRP和血管内皮生长因子），测量其浓度可以用于PJI诊断。Deirmengian等人［3］研究发现关节液中IL-1和IL-6的水平可以准确地鉴别出感染和非感染的患者，其敏感性、特异性接近100%，特别是对于有自身免疫性疾病的患者该项检测优势更明显。

关节液穿刺培养是对细菌的直接检测，对于患有自身免疫性疾病如类风湿患者PJI诊断优势明显。同时，药敏试验可以对二期翻修手术的抗生素的使用提供指导。关节液穿刺培养会出现假阴性和假阳性，假阴性可能由于局麻药物潜在的抗菌活性，细菌对培养环境要求高，关节液中细菌含量过低等；假阳性可能是在各个操作环节中造成的标本污染，如穿刺时无菌操作不严格。

最近研究发现，对关节液培养采用血培养瓶对诊断PJI的敏感性和特异性都很强［17］。Font-Vizcarra等人［18］对87例PJI患者和63例无菌性假体松动患者进行了回顾性研究，对PJI患者分别采用血培养瓶进行关节液细菌培养、假体周围组织培养和假体周围拭子培养的敏感性、特异性和预测值，发现血培养瓶进行关节液培养时具有更高的敏感性（90%）、特异性和预测值，假体周围组织培养和假体周围拭子培养的敏感性分别是82%和68%，然而，上述所有培养方式对于慢性PJI的价值相对于急性PJI都要降低。

4 翻修术前滑膜活检

用活检钳等取出关节内的软组织进行病理学检查，也可进行细菌培养和药物敏感试验指导采用二期翻修手术时抗生素的使用。然而，对于一个位置良好且无松动的的假体，应该慎重进行此类检查，因为有导致感染和损伤假体的风险。

Fink等人［19］对比了TKA术后滑膜活检与关节穿刺抽液和CRP在诊断晚期人工膝关节感染的价值，发现组织活检的敏感性、特异性、阳性预测值和阴性预测值分别达到100%，98.1%，95.2%，100%，明显优于关节穿刺和血清CRP检查。优于CRP的原因可能是各个研究采用的CRP阳性标准值不同以及CRP不能区分风湿病如类风湿关节炎。此外，活检可以进行培养从而鉴定致病菌并进行药敏试验。

然而，也有一些作者研究认为关节液和关节内组织活检二者培养结果差异很小，因此，建议进行创伤相对较小的关节穿刺术进行关节液检查。Geert Meermans等人［20］通过对64例全髋关节置换术和56例全膝关节置换的患者进行关节穿刺培养和活检。得到的结论是，关节穿刺术的敏感性是83%，穿刺活检的敏感性是79%，二者结合的敏感性是90%。

此外，几乎所有文献都认为革兰染色检测细菌对于PJI缺乏诊断意义。Johnson等人［21］进行了大规模的回顾性研究的结果显示革兰染色在诊断髋关节PJI时敏感性只有9.8%。

5 翻修手术进行过程中对PJI的评估

如果术前检查未能确诊，就需要手术中的判定，并据此决定进行一期或二期的翻修手术。在翻修手术过程中，如果能直接发现脓液即可诊断PJI，然而，很多时候观察不到脓液的存在，此时可行术中进行组织切片镜检。通常认为，每高倍镜视野大于5到10个分叶核的白细胞就提示急性感染［22］。这项检查的特异性很高，因此具有很高的术中的诊断价值。这种组织病理学检查的敏感性报道差异很大，可能影响敏感性的因素有：低毒性细菌的感染，取材位置的偏差，以及病理医师经验不足等。

Frances Borrego等人［23］评估了关节翻修手术中假体周围组织冰冻切片检查的意义。他们将术中获取的假体周围组织分为两份，一份进行冰冻切片，另一份进行细菌培养。在高倍镜视野下冰冻切片发现10个以上的多核白细胞则定为阳性，存在PJI。结果显示以上述标准对假体周围组织冰冻切片中的多核白细胞进行判断是一项可靠而快速的的PJI诊断方法，特异性较高（89.7%）。如果为阴性，则应用其他术前和术中的其他方法来诊断。

6 假体周围组织培养

术中组织的培养为诊断PJI的“金标准”，这是由于在术中可以做到准确地在多点、多处得到样本，也可以直接对取下的细菌生物膜进行处理后再进行培养，通过对多处多份组织样本进行培养，提高了培养的阳性率。

虽然细菌培养阳性被称作PJI诊断的“金标准”，但受多种因素影响，细菌培养的敏感性和特异性都不高。导致假阴性的因素有标本取样过少、细菌生物膜培养基不合适、培养时限短、细菌营养要求过高等，导致假阳性的因素有：取标本时、运输途中或实验室中出现标本污染等。送检的样本至少应为3份，5～6份为佳，而且进行需氧和厌氧培养。如果准备行细菌培养，培养必须至少停用抗生素两周。在获取标本后应尽快送检，而不应置于冰箱中。

细菌培养时限通常为1周左右，Peter Schafer等人［24］进行了一项研究发现，如果延长培养时限到2周，可以提高培养的敏感性。在第一周培养出的细菌通常是葡萄球菌属细菌，而第二周培养出的通常是生长较慢的丙酸菌属细菌。

细菌感染后会在假体周围形成一层细菌生物膜，是细菌在假体关节中存在的主要方式。超声处理标本可以裂解菌膜，提高细菌培养阳性率。Geir Bjerkan等人［25］研究发现，对钛和钢两种金属表面的细菌生物膜采用超声处理，可以有效的分离出细菌，大大提高培养的阳性率，明显优于单纯采用手术刀片刮取金属表面的组织来获取培养的标本效果。特别对于术前两周内使用过抗生素的患者，采用一般性培养和超声处理后的培养的敏感性分别是45%和75%（P＜0.001）［26］。

Velay［27］等人分析了186个感染的人工关节周围组织样本发现，采用BACTEC血培养基可以检出69%的感染，而普通培养基只有53%的（P＜0.05）。此外，对于许多患者，采用BACTEC血培养基培养时限要比普通培养基短。

Hughes等人［28］研究了四种不同培养基在关节周围组织培养时的敏感性和特异性。这四种培养基分别是：直接培养基、富营养肉汤培养基、富营养厌氧培养基和BACTEC自动血培养瓶，结果发现上述几种培养基在特异性方面相似，都在97%到100%，但敏感性分别是39%，83%，57%，87%，差异较大。

7 PCR在PJI诊断中的应用

PCR技术与细菌培养鉴定同属于对于细菌的直接检测，目前在骨科临床应用较少，其应用价值有待进一步的研究。有许多报道称对于PJI的诊断，PCR并不优于细菌培养［29］。然而，当患者由于提前使用了抗生素或细菌本身营养要求高等因素导致细菌培养阴性时，对细菌特异性的DNA片段进行PCR检测诊断PJI时具有一定的优势。De Man等人［30］的进行了一项回顾性研究结果显示，PCR在诊断PJI时的特异性高（100%），而敏感性弱（50%），而PCR和细菌培养综合的敏感性为67%。

8 小结与展望

实验室诊断是PJI诊断的重要方法，但目前没有任何的单独的一项实验室检测可以确诊PJI，对于PJI的诊断需要通过综合临床表现和影像学表现以及实验室检查。

由于许多的血清中和关节液内的标志物并没有参考值，而且其意义往往需要结合其出现的时间和部位来具体地动态分析，这需要进一步的研究。组织病理学检查的特异性和阳性预测值较高，但受取材等影响，往往敏感性不高，所以这项实验需要取材准确并由经验丰富的病理医师来进行。细菌培养PJI诊断的“金标准”，对标本进行超声裂解处理及采用自动血培养瓶等方式可以提高培养的准确性。将来，随着对于更多的PJI标志物和细菌生物膜研究的深入，新的诊断标志物和新的手段将会得到推广和应用，从而更有效地指导对PJI的临床诊断。

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