骨科植入物感染的发生及预防的研究进展

陈睿，田野，袁文，何海龙

(第二军医大学附属长征医院脊柱一科，上海 200003)

综 述

骨科植入物感染的发生及预防的研究进展

陈睿，田野，袁文，何海龙*

(第二军医大学附属长征医院脊柱一科，上海 200003)

近年来，随着骨科手术数量的增加，相关手术失败也屡见不鲜。其中，由植入物相关感染引起的内固定失败导致了翻修手术数量的增加，而45%的院内感染是由植入物感染发展而来[1]。目前临床多采取6～8周静脉用抗生素抗感染治疗方案，但使用时长难以精确管理、目标部位抗生素浓度低、植入物表面或生物膜内的药物难以达到有效浓度等缺点也很明显，最终不得不行置换手术，加大了病患及社会的经济负担。因此，了解骨科植入物感染的发生以及预防的研究进展已成为植入物相关研究最重要的任务之一。

1 骨科植入物感染的发生

1.1 感染来源与易感因素 植入物表面、手术室、手术设备、手术医生、患者自身、被污染的消毒剂及其他人的各种条件致病菌可经直接接触、血行播散或内源性移位到达植入物表面。植入材料的特征和植入部位是影响感染发生的重要因素。高危因素患者的相对感染风险为正常人群的20倍。营养不良、肥胖、风湿性关节炎、糖尿病及免疫缺陷患者面临更高的反复感染的风险。除此之外，复杂的外科手术及技术也易于并发感染[2]。

1.2 细菌的定植黏附 大量的研究证实，细菌的定植黏附是骨科植入物感染的起始因素。极性力、范德华力和疏水性在内的各种因素会共同调控细菌的初始黏附[3]。此过程的调控可分为两期：一期为可逆性过程，由范德华力、氢键、静电相互作用，疏水键、离子键等非特异性力量所维持，发生在最初接触的1～2 h内；二期为非可逆性过程，荚膜多糖/黏附的多糖结构会导致初始黏附的形成[4]，发生在接触的2～3 h后。例如，表皮葡萄球菌在聚合物表面的初始黏附由表面相关的自溶素AtlE所调节[5]。因此，植入物表面的细菌黏附是进一步形成生物膜的最重要因素。

1.3 细菌增殖及生物膜形成 一旦细菌黏附在植入物表面，便会进行细胞增殖和细胞间黏附，并开始分泌蛋白质、多糖、DNA等成分以形成生物膜[6]。生物膜主要以生物活性基质细胞和细胞外基质的形式共存于固体表面[7]。多糖黏附因子的多糖抗原介导细胞间黏附及细菌的聚集[8]，在植入物表面繁殖并形成多分子层的细胞簇，小菌落进一步发展成大菌落并被细胞外多糖基质封闭。通过细胞间信号传导，胞外多糖会与植入物表面紧密结合，从而加速细菌的聚集，最终形成组织良好、构造完整的三维立体矩阵结构，即细菌生物膜[9]。生物膜达到临界数量时便开始产生浮游细菌，并从营养物质稀少的定植区向富含营养物质的表面迁移，重新定植并重启生物膜形成过程[10]。由于细菌自身产生的胞外聚合物所提供的保护及生物膜内细菌的生理改变，免疫系统及抗生素很难清除生物膜内的细菌，最终导致迁延不愈的植入物感染。

2 骨科植入物感染的预防

2.1 宣教及预防性使用抗生素 使用不规范的无菌操作、人员流动性大、熟练度差等因素增加了骨科植入物感染的发生率，通过加强操作考核、管理等手段可以阻断细菌的黏附，从而降低感染发生率并减少医疗成本。围手术期预防性使用抗生素有效地降低了手术部位的感染发生率，但是此种预防手段并未表现出预防优势。

2.2 细菌噬菌体 作为一种病毒，细菌噬菌体可以通过感染细菌从而控制细菌生物膜的形成[11]。有学者通过体外实验证实，由细菌噬菌体产生的多糖聚解酶能水解生物膜的基质成分。因此，通过组织工程促使细菌噬菌体释放降解酶破坏生物膜并杀死生物膜基质和细胞是一种潜在的抗菌方法。

2.3 反义策略 理论上预防植入物感染可以通过阻止细菌生物膜的形成来实现。有学者研究证实葡萄球菌具有和黏附素家族的一类成员有关的编码黏附及生物膜形成的特定基因，这类微生物表面组分即为反义策略的目标靶位，通过上述基因失活可以阻止细菌黏附和生物膜形成，但到目前为止，并未见成功报道[12]。

2.4 抗菌涂层的运用 Anthony Gristina在30年前首次提出“表面竞争”的概念，他阐述了一种植入物相关感染的简易模型，即植入物的最终结局取决于宿主和细菌之间的相互竞争[13]。根据这种理论，当宿主细胞首先在植入物表面定植时，细菌黏附的可能性就会大大降低，反之亦然。由蛋白质膜生成的大量潜在的细菌黏附受体在植入物置入人体后立即占据其表面[14]，影响宿主细胞与植入物表面的接触。因此，内植物表面抗菌能力克服植入物诱导的局部免疫反应缺陷、抑制细菌显著的快速黏附及形成生物膜的能力正得到日益关注。

2.4.1 抗细菌黏附涂层 表面粗糙度、化学性能、亲水性、表面能量或电势分布、导电率等植入物的表面特征在细菌的黏附及生物膜的形成中起着至关重要的作用，而对现有生物材料的表层进行化学或物理改性会使细菌定植的易感性发生较大的改变。例如，紫外线照射可以增加二氧化钛表面“自发”的亲水性，进而抑制细菌黏附而不影响其成骨效应[15]。通过表面氧化层晶状结构的修饰也可以赋予植入物表面抗细菌黏附的性能[16]。以亲水性聚甲基丙烯酸、聚氧化乙烯或抗蛋白质黏附的聚乙二醇为代表的聚合物涂层，因为能够显著地抑制细菌的黏附而被运用在钛合金植入体的表面[17]。疏水性及超疏水性表面处理技术在临床前期研究中也展现出了强大的抗细菌黏附效能[18]。而一些特殊类型的蛋白质与细菌之间的相互作用也是一种抑制细菌黏附的有效策略[19]。Friedman等在兔模型上使用交联白蛋白作为材料涂层，证实了在纯钛样品上会出现细菌黏附的减少以及感染率的下降[20]。近年来，新的策略主要包括单层或多层膜的自组装、表面接枝或凝胶、生物表面活性剂和抗细菌黏附两性微生物的制备[21]。

2.4.2 释放杀菌成分涂层

2.4.2.1 金属离子抗菌剂 溶解银阳离子是一种生物活性剂，主要通过干扰细胞膜的通透性及新陈代谢而发挥作用。银还会导致活性氧的形成，可能影响原核细胞的其他机制相关。然而，银离子毒性是一个不可忽视的问题[22]。尽管最近的对照研究显示该涂层具有良好的临床效果及安全性，但是常规使用银离子涂层植入物仍然受到相当大的限制[23]。主要原因是其对骨细胞的毒性，影响植入物与骨组织之间的成骨效应。铜和锌也具有强大的广谱抗菌性能。这些金属潜在的毒副作用仍需进一步观察研究。对此提出的解决方案是使用铜-锌纳米材料或者选择性释放方法。

2.4.2.2 非金属元素抗菌剂 非金属元素如氢、氯、碘或氧，因其抗菌性而被广泛应用于生物医学中。硒元素能够催化过氧化物自由基的形成并抑制细菌黏附和生存。硒纳米颗粒能抑制细菌生长和生物膜的形成。临床适用的碳物质也具有此类功能，如可以合成多功能分子层的石墨烯或碳纳米管[24]。最近一项222例临床病例研究显示，碘涂层钛合金具有良好的临床抗菌效果[25]。

2.4.2.3 有机涂层 一些防腐剂如洗必泰、氯二甲苯酚、聚六亚甲基双胍已被证实其抗菌性，并且是避免耐药性的可供选择之一。洗必泰在钛表面可以吸附在二氧化钛层上，并于数日内逐渐释放[26]。部分有机化合物的抗菌性能可能与植入物表面所赋予的抗感染特性有关。大量的研究证实了表面共价抗生素涂层的有效性[27]。但此种共价结合力对弱外部刺激并不敏感，而该涂层的不稳定性、不能直接杀死植入物周围的细菌等缺点也很明显。对此，一些学者提出抗生素与其他化合物组合的单独运用或者与特定的控释机制相联系的观点[28]。

2.4.2.4 抗菌肽及壳聚糖抗菌剂 与宿主反应相关的抗菌肽、细胞因子或其他分子的植入物涂层属于此类。实验已经证实此类物质对多种病原体都具有杀菌效果[29]。抗菌肽通过破坏细胞壁和抑制细菌关键蛋白质的合成以实现其杀菌功能。此外，它们会对炎症、组织愈合、凋亡时间等产生影响。而抗菌肽抵抗的报道远远少于抗生素。初步试验表明，贴附于金属合金表面的薄层抗菌肽对典型病原体具有良好的抗菌效果[30]。壳聚糖(chitosan，CS)是一种几丁质衍生而来的聚阳离子型聚合物，具有抗细菌及抗真菌能力。有证据表明，CS衍生物可以紧密固定在钛合金表面，无论是单独还是与其他抗生素或抗菌肽物质相结合都具有抗菌作用[31]，但相关临床报道仍不足。

2.4.2.5 其他抗菌涂层 多功能表面分子层、“智能涂层”属于此类，如功能高分子刷涂料就联合使用抗黏附、抗菌物质及其他化合物以增强骨整合[32]；“智能涂层”能对细菌存在的各种刺激敏感并作出反应，但仍需进一步的研究，并需克服可行的涂层生产、体内非损害反应、机械阻力及装置使用寿命保护等问题[33]。

2.4.3 围手术期局部抗菌涂层 植入物的防护可以通过在手术中于植入物表面或周围负载可降解或不可降解的载体或涂层而实现。该涂层可能具有直接或协同抗菌作用，或仅提供一种或多种预载入抗菌药物来实现局部抗菌作用。局部使用抗生素在骨科疾病治疗中地位显著。Buchholz等[34]首次在关节置换术中使用装载有抗生素的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)骨水泥来达到局部抗生素预防的目的。临床研究表明，此种抗生素负载的骨水泥与系统性抗生素运用方法相结合后能减少无菌性松动所造成的全髋关节置换术深部感染率及翻修率，特别是对高危患者来说[35]。但是抗生素负载的PMMA不能阻止生物膜的形成，从而使其仅适用于小部分人群，而这可能与抗生素抵抗的“小群体变异”的发生有关。而生物相容的水凝胶可能为替代解决方案，它能够释放局部药物活性成分并满足所需的洗脱模式，这种新颖的涂层技术显示了内植物短期局部保护的特点[36]。短期局部释放系统能够满足赢得表面竞争的需求，同时能够限制副作用。这种由透明质酸及聚D，L-丙交酯共价连接组成的新颖且快速可吸收的凝胶涂层被设计用来在体内于48～72 h之内完成降解。它能够完全释放各种不同浓度集中在2%～10%的抗菌药物，包括糖肽类、氨基糖苷类和氟喹诺酮类药物。在体外试验中，水凝胶显示出与各种抗生素及抗生物膜成分的协同抗菌活性[37]；体内试验中，在使用及未使用系统性预防抗生素的高度污染的兔植入物模型中也被证实有效[38]。一项正在进行的欧洲多中心临床试验目前正在调查该装置的安全性和疗效。

3 结论与展望

过去20年，大量的研究致力于寻求更好的阻碍细菌定植的预防措施。事实上，尽管各种涂层在临床前期试验中取得了非常成功的进步，但是在解决策略及实际临床应用中仍存在明显的差异。由于细胞毒性、免疫反应或基因毒性问题，大多数研究中的涂层并不适用于骨科植入物，而体内及体外试验结果良好的涂层临床应用也受限于生物技术、监管、成本以及医学法等问题。完善政府、监管结构、行业领导者及医疗卫生出资方之间的协作可能会让越来越多的患者受益于这些非常有前途的技术。综合的分类及公用的语言能够使合适的检测及实际的监管要求达到标准化，从而使临床前期研究过度到有效的患者防护中。

[1]Alvand A，Rezapoor M，Parvizi J.The Role of Biomarkers for the Diagnosis of Implant-Related Infections in Orthopaedics and Trauma[J].Adv Exp Med Biol，2017(971)：69-79.

[2]Blood AG，Sandoval MF，Burger E，et al.Risk and Protective Factors Associated with Surgical Infections among Spine Patients[J].Surg Infect (Larchmt)，2017，18(3)：234-249.

[3]Ridenhour BJ，Metzger GA，France M，et al.Persistence of antibiotic resistance plasmids in bacterial biofilms[J].Evol Appl，2017，10(6)：640-647.

[4]Salimena A P，Lange CC，Camussone C，et al.Genotypic and phenotypic detection of capsular polysaccharide and biofilm formation in Staphylococcus aureus isolated from bovine milk collected from Brazilian dairy farms[J].Vet Res Commun，2016，40(3/4)：97-106.

[5]管翠萍，何芳，卢金霞，等.以表皮葡萄球菌LuxS为靶点的反义锁核酸对生物被膜的影响[J].农业生物技术学报，2017，25(2)：291-298.

[6]Youn CK，Jang SJ，Jo ER，et al.Comparative antibacterial activity of topical antiseptic eardrops against methicillin-resistant Staphylococcus aureus，and quinolone-resistant Pseudomonas aeruginosa[J].Int J Pediatr Otorhinolaryngol，2016(85)：80-83.

[7]Liu Y，Sun J，Peng L，et al.Assessment of Heterotrophic Growth Supported by Soluble Microbial Products in Anammox Biofilm using Multidimensional Modeling[J].Sci Rep，2016(6)：27576.

[8]Mack D，Fischer W，Krokotsch A，et al.The intercellular adhesin involved in biofilm accumulation of Staphylococcus epidermidis is a linear beta-1，6-linked glucosaminoglycan：Purification and structural analysis[J].J Bacteriol，1996，178(1)：175-183.

[9]Vasavi HS，Sudeep HV，Lingaraju HB，et al.Bioavailability-enhanced Resveramax?偩e modulates quorum sensing and inhibits biofilm formation in Pseudomonas aeruginosa PAO1[J].Microb Pathog，2017(104)：64-71.

[10]Prakash B，Veeregowda BM，Krishnappa G.Biofilms：a survival strategy of bacteria[J].Curr Sci，2003，85(9)：1299-1307.

[11]Sharma U，Paul VD.Bacteriophage lysins as antibacterials[J].Crit Care，2017，21(1)：99.

[12]Oh S，Moon KS，Lee SH.Effect of RGD peptide-coated TiO 2 nanotubes on the attachment，proliferation，and functionality of bone-related cells[J].J Nanomater，2013(2013)：9.

[13]Pham VT，Truong VK，Orlowska A，et al.Race for the surface：eukaryotic cells can win.[J].ACS Appl Mater Interfaces，2016，8(34)：22025-22031.

[14]Ribeiro M，Monteiro FJ，Ferraz MP.Infection of orthopedic implants with emphasis on bacterial adhesion process and techniques used in studying bacterial-material interactions[J].Biomatter，2012，2(4)：176-194.

[15]Shirai R，Miura T，Yoshida A，et al.Antimicrobial effect of titanium dioxide after ultraviolet irradiation against periodontal pathogen[J].Dent Mater J，2016，35(3)：511-516.

[16]Kirmanidou Y，Sidira M，Drosou ME，et al.New Ti-Alloys and Surface Modifications to Improve the Mechanical Properties and the Biological Response to Orthopedic and Dental Implants：A Review[J].Biomed Res Int，2016(2016)：2908570.

[17]Wang HL，Xu L，Li R，et al.Highly hydrophilic ultra-high molecular weight polyethylene powder and film prepared by radiation grafting of acrylic acid[J].Appl Surf Sci，2016，382(5)：162-169.

[18]Zhu H，Guo Z，Liu W.Adhesion behaviors on superhydrophobic surfaces[J].Chem Commun，2014，50(30)：3900-3913.

[19]Campoccia D，Montanaro L，Arciola CR.A review of the biomaterials technologies for infection-resistant surfaces[J].Biomaterials，2013，34(34)：8533-8554.

[20]An YH，Bradley J，Powers DL，et al.The prevention of prosthetic infection using a cross-linked albumin coating in a rabbit model[J].J Bone Joint Surg(Br)，1997，79(5)：816-819.

[21]Rodrigues L，Banat IM，Teixeira J，et al.Biosurfactants：potential applications in medicine[J].J Antimicrob Chemother，2006，57(4)：609-618.

[22]Wu J，Yu C，Li Q.Novel regenerable antimicrobial nanocomposite membranes：Effect of silver loading and valence state[J].J Memb Sci，2017(531)：68-76.

[23]Wafa H，Grimer RJ，Reddy K，et al.Retrospective evaluation of the incidence of early periprosthetic infection with silver-treated endoprostheses in high-risk patients case-control study[J].Bone Joint J，2015，97(2)：252-257.

[24]Martynková GS，Valášková M.Antimicrobial nanocomposites based on natural modified materials：a review of carbons and clays[J].J Nanosci Nanotechnol，2014，14(1)：673-693.

[25]Inoue D，Kabata T，Ohtani K，et al.Inhibition of biofilm formation on iodine-supported titanium implants[J].Int Orthop，2017，41(6)：1093-1099.

[26]De Cremer K，Braem A，Gerits E，et al.Controlled release of chlorhexidine from a mesoporous silica-containing macroporous titanium dental implant prevents microbial biofilm formation[J].Eur Cell Mater，2017 (33)：13-27.

[27]Shi XW，Wu HP，Li YY，et al.Electrical signals guided entrapment and controlled release of antibiotics on titanium surface[J].J Biomed Mater Res A，2013，101(5)：1373-1378.

[28]Sood S，Gupta VK，Agarwal S，et al.Controlled release of antibiotic amoxicillin drug using carboxymethyl celluloseclpoly(lactic acid coitaconic acid) hydrogel[J].Int J Biol Macromol，2017(101)：612-620.

[29]Yount NY，Yeaman MR.Emerging themes and therapeutic prospects for anti-infective peptides[J].Annu Rev Pharmacol Toxicol，2012(52)：337-360.

[30]Holmberg KV，Abdolhosseini M，Li Y，et al.Bio-inspired stable antimicrobial peptide coatings for dental applications[J].Acta Biomater 2013，9(9)：8224-8231.

[31]Costa F，Maia S，Gomes J，et al.Characterization of hLF1-11 immobilization onto chitosan ultrathin films，and its effects on antimicrobial activity[J].ActaBiomater，2014，10(8)：3513-3521.

[32]Muszanska AK，Rochford ET，Gruszka A，et al.Antiadhesive polymer brush coating functionalized with antimicrobial and RGD peptides to reduce biofilm formation and enhance tissue integration[J].Biomacromolecules，2014，15(6)：2019-2026.

[33]Yu Q，Cho J，Shivapooja P，et al.Nanopatterned smart polymer surfaces for controlled attachment，killing，and release of bacteria[J].ACS Appl Mater Interfaces，2013，5(19)：9295-9304.

[34]Buchholz HW，Engelbrecht H.Depot effects of various antibiotics mixed with Palacos resins[J].Chirurg，1970，41(11)：511-515.

[35]Overstreet D，McLaren A，Calara F，et al.Local gentamicin delivery from resorbable viscous hydrogels is therapeutically effective[J].Clin Orthop Relat Res，2015，473(1)：337-347.

[36]Heydemann JS，Nelson CL.Short-term preventive antibiotics[J].Clin Orthop Relat Res，1986(205)：184-187.

[37]Drago L，Boot W，Dimas K，et al.Does implant coating with antibacterial-loaded hydrogel reduce bacterial colonization and biofilm formation in vitro?[J].Clin Orthop Relat Res，2014，472(11)：3311-3323.

[38]Giavaresi G，Meani E，Sartori M，et al.Efficacy of antibacterial-loaded coating in an in vivo model of acutely highly contaminated implant[J].Int Orthop，2014，38(7)：1505-1512.

1008-5572(2017)12-1095-04

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A

*本文通讯作者：何海龙

陈睿，田野，袁文，等.骨科植入物感染的发生及预防的研究进展[J].实用骨科杂志，2017，23(12)：1095-1098.

2017-05-23

陈睿(1990- )，男，医师，第二军医大学附属长征医院脊柱一科，200003。