骨科内植物术后感染早期诊断的研究进展

袁承杰 朱根锐 王之枫 马昕 王旭

（复旦大学附属华山医院骨科，上海200040）

骨科领域各种生物内植物的研发应用不断发展，内固定器械和假体的使用比例不断增加。这些内植物的使用为患者带来了更好的疗效，使得骨科相关疾病治愈率显著提高。但在实践过程中也产生了一些问题，其中十分棘手的便是内植物术后感染。根据大量国内外文献[1]报道，骨科手术内植物植入后并发感染的发生率为0.5%~2.5%。骨科内植物术后感染由于细菌在内固定器械表面形成生物膜，药物难以穿过该生物膜从而难以起到抑菌和灭菌作用，故常需取出内固定器械，彻底冲洗清创，彻底清除细菌和生物膜，促进愈合[2]。术后感染再处理耗时长，费用较高，严重者需要多次手术，给患者带来沉重的经济负担和精神压力。另一方面，骨科内植物置入后感染的发生发展非常迅速，一旦出现明显症状，感染很难控制，而且处理所耗时间越长，对周围正常组织破坏越严重。故骨科手术内植物置入后并发感染的早期诊断具有重要临床意义。

1 致感染细菌种类

据大量临床资料[3,4]统计，骨科内植物置入术后并发感染的常见细菌为葡萄球菌，其次为肠杆菌和假单胞菌。在葡萄球菌中又以金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌最为常见，约占35%~60%，而且在表皮葡萄球菌中又以血浆凝固酶阴性表皮葡萄球菌最为常见。表皮葡萄球菌是人体皮肤和腔道的正常菌群，是一种条件致病菌，当人体免疫力下降或者进入非正常部位时成为感染源。由于患者自身条件不良，如患处术前皮肤破溃或者水疱，骨折内植物置入术中一般通过切口或者血源性传播，从而患处常被表皮葡萄球菌侵犯。

更加具有临床意义的一点是，由于致感染菌群主要为凝固酶阴性的表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌、革兰阴性杆菌等，故菌群表面会形成多糖—蛋白质复合物生物膜，从而有抵抗抗生素的作用，增强细菌的毒力[5]。这也是骨科内植物置入术后感染迁延不愈或难以控制的重要原因。

2 术后感染早期症状

骨科手术术后内植物感染早期症状是发现感染的最初线索，随着病情的发展，会出现感染的一般症状，如局部红肿、切口渗出、疼痛等，感染发展迅速者会出现发热、不适、寒战等体征。但临床上，感染发展的初期还不存在明显症状，肉眼观察患处没有明显形态变化。甚至在术后早、中期，有一部分患者主诉局部疼痛，仅伴有发热和切口渗出而无其他显著提示感染的症状。而发热红肿和切口渗出等情况也可能是因为手术的创伤性机械刺激以及术后吸收热和切口脂肪液化等情况导致[6]。综上，由于术后早期症状不具有特异性，而且对于部分仅出现发热、红肿以及伤口渗出等情况的患者，单凭症状很难分辨出是否发生了内植物周围感染。

3 一般诊断方法

常规诊断方法主要包括外周血白细胞分类计数（white blood count,WBC）、血沉（erythrocyte sedimentation rate,ESR）和 C-反应蛋白（C-reactive protein,CRP）等检查。虽然这些实验室方法的敏感性较高，但是其特异性并不显著，非感染患者在术后由于手术创伤刺激，亦可出现术后WBC增高、CRP数值上升、ESR加快等情况。骨科内植物置入后从发热当日起，若CRP持续增高并且其浓度保持在30 mg/L以上时[7]，可提示该术后发热为感染性发热。而WBC增高出现幼稚中性粒细胞，且ESR＞30 mm/h时，亦可提示骨科术后感染，需要进一步诊断[8]。WBC＞10000/µl，且多核中性粒细胞比例＞80%，则提示可能存在骨科术后感染[9]。

另外，早期内植物感染在术后常规X线片中大多缺乏异常征象，故其敏感性非常低。而且内植物感染的X线片征象几乎都出现在无菌性松动患者中，两者单凭X线片征象上极难区分，故其特异性也很低。这加大了运用术后X线片诊断骨科手术内植物置入术后感染的难度。

局部穿刺也是一种常规的诊断方法，通过对穿刺物进行微生物培养，从而做出诊断[9,10]。对于人工关节置换术后假体感染，若术后穿刺检测穿刺液WBC＞1.7×103/µl，则术后假体感染诊断敏感性可达94%，特异性达88%。另外,穿刺和细菌培养的缺点主要为非人工关节的内植物难以操作、细菌培养的时间较长，缺乏更加快速的早期诊断措施。

4 新型诊断方法

由于骨科手术内植物置入术后并发感染的严重性，对其进行早期诊断非常重要。目前比较创新的早期诊断手段主要包括应用18F-FDG PET/CT探测、血清降钙素原检测（procalcitonin,PCT）、白细胞介素-6（interleukin-6,ⅠL-6）检测以及聚合酶链式反应（polymerase chain reaction,PCR）技术。

4.1 18F-FDG PET/CT探测

18F-FDG PET的原理主要是Warburg效应，即肿瘤细胞的糖代谢显著高于正常细胞[11]。与此相同，白细胞特别是粒细胞和巨噬细胞，在应对细菌感染时（即活动期）显示出高于正常细胞的糖代谢率，故对18F-FDG的代谢率也显著提高。但同时，骨髓和不活动的肌肉对18F-FDG的生理代谢率相对很低[12]，而且退行性骨改变组织对18F-FDG的代谢率仅有轻度增加[13]。在此基础上，18F-FDG能敏感地探测多种骨和软组织感染以及人工假体关节感染[14,15]。

文献[16]表明，18F-FDG PET/CT相较于WBC（敏感性74%，特异性88%）和骨X线片影像（敏感性83%，特异性45%），对骨髓感染检测有更满意的敏感性（92%）、特异性（92%）以及位置准确性。但是到目前为止，在这个领域只有小样本数量的研究得到了发表。有研究[17,18]表明，运用18F-FDG PET/CT诊断骨科金属植入物或者人工假体感染的敏感性达到100%，特异性达到87%~93%。Vera等[19]指出，运用18F-FDG PET/CT诊断骨科手术内植物置入后感染的阴性预测值达到84%，从而能够有效排除可疑度较高的术后感染，从而避免不必要的手术和药物干预。这对于临床常规诊断骨科术后内植物感染有重要意义，而且PET/CT的无创性诊断检查避免了严重并发症的发生。

但是，18F-FDG PET/CT也存在一定的限制，如PET/CT扫描的图像结果无法量化，从而无法确定诊断骨科术后内植物感染的标准。对于无法确诊的患者只能通过穿刺以及微生物培养阳性确诊。

4.2 PCT检测

在众多实验室检查方法中，运用PCT诊断感染性疾病已被广泛接受，近来该指标也开始用于骨科术后内植物感染诊断，其诊断特异性显著高于WBC，ESR，CRP等指标[20,21]。PCT是降钙素的前体，是一种无激素活性的糖蛋白，生理状况下由甲状腺C细胞生成。临床上PCT无法在正常人体血清中检测到，实验室测定其生理血清浓度仅为0.01 ng/L[22]，而在细菌感染时由于PCT发挥调控细胞因子网络的作用，其在血清中的浓度将显著上升，在细菌释放出内毒素2 h后即可在患者血液标本中被检测到。有研究结果[23]提示，感染时血清PCT水平上升可能与ⅠL-6和肿瘤坏死因子在诱导相应细胞分泌PCT过程中发挥重要作用有关。另一方面，PCT在人体内半衰期为25~30 h，由于其半衰期较短，故血清PCT指标除用于诊断骨科术后内植物感染，还能评估药物干预后的治疗效果。

多项研究[24]对运用血清PCT和CRP诊断骨科术后内植物感染的敏感性以及特异性进行比较，发现血清PCT临界值为0.5 ng/L时，对骨科手术内植物感染诊断的敏感性和特异性均达到了100%，从而能够有效排除手术创伤后炎症反应，更准确的识别术后感染。其中一项跟踪观察行脊柱手术的103例患者的研究[25]发现，在发热患者中，当CRP升高（＞10 mg/L）时抗生素使用量大幅度增加，而其中相当一部分患者并没有发生术后感染，但当血清PCT＞0.5 ng/L时，所有发热患者中仅有2例未并发生术后感染。可见与CRP比较，血清PCT能够更加准确反映出发热的原因，从而避免不必要的药物干预甚至二次手术翻修。

4.3 ⅠL-6检测

ⅠL-6是机体受炎症刺激后产生的一种多效性细胞因子，主要由单核-巨噬细胞、T淋巴细胞及内皮细胞合成和分泌，对于急性期T淋巴细胞的激活诱导以及B淋巴细胞的成熟有重要作用。另外，ⅠL-6还能促进中性粒细胞的激活，同时延缓吞噬细胞的衰老，在创伤和感染过程中加剧炎症介质的产生[26]。在感染后迅速释放入血，可作为提示机体早期感染的一项指标。ⅠL-6在早期诊断全髋、全膝关节置换术后感染方面优势明显，较CRP更早地反映全髋、全膝关节置换术后炎症反应情况。有研究[27]显示，骨科术后并发感染的患者ⅠL-6在6 h后迅速升高至峰值（399±140 pg/ml），而CRP则在术后2 d缓慢升高至峰值（138±54 pg/ml）。可见ⅠL-6较CRP更为敏感，能较早较快反映感染的情况。在全髋、全膝关节置换术后并发感染的患者中，当ⅠL-6＞10 pg/ml时，其诊断敏感性达到100%，特异性达到95%，阴性预测值达到100%。而术后无菌性松动的患者血清ⅠL-6水平则不会显著升高[28]。

4.4 PCR

PCR是一种快速、灵敏的诊断方法，通过对患处细菌DNA进行扩增检测，可以检测到极微量的细菌存在，敏感性大幅度增加[29,30]。针对人工关节假体置换术后感染（periprosthetic joint infection,PJⅠ），利用PCR早期诊断术后感染是一个较为有效的方法。有研究[31,32]通过致感染细菌的16s rRNA PCR对PJⅠ进行诊断发现，用16s rRNAPCR检测致PJⅠ细菌的敏感性在63%~100%之间。有学者认为，PCR由于其对于PJⅠ细菌出色的敏感性，在未来很有可能取代穿刺液细菌培养，成为诊断PJⅠ的“金标准”。

5 展望

相较于传统的骨科手术内植物感染早期诊断方法，新型的方法主要涉及到核医学科、分子生物学以及新型感染后血清标志物。虽然这些方法有显著高于传统方法的敏感性和特异性，但是仍然存在一些局限性。骨科手术内植物感染的早期诊断是一个复杂的临床过程，单凭一种新技术也存在漏诊的风险，而且还需要结合临床症状。由此可见，综合运用几种新技术，并且对其进行有机结合，得出标准化的骨科手术内植物术后感染常规诊断流程以及确诊标准，是一个非常有临床意义的课题。通过这层术后筛查，在未来可以大大降低骨科手术内植物置入术后感染的发生率，减轻患者负担，提高骨科医疗质量。

[1]Pavoni GL,Giannella M,Falcone M,et al.Conservative medical therapy of prosthetic joint infections:retrospective analysis of an 8-year experience.Clin MicrobiolⅠnfect,2004,10(9):831-837.

[2]Ⅰp D,Yam SK,Chen CK.Ⅰmplications of the changing pattern of bacterial infections following total joint replacements.J Orthop Surg(Hong Kong),2005,13(2):125-130.

[3]Panousis K,Grigoris P,ButcherⅠ,et al.Poor predictive value of broad-range PCR for the detection of arthroplasty infection in 92 cases.Acta Orthop,2005,76(3):341-346.

[4]Fisman DN,Reilly DT,Karchmer AW,et al.Clinical effectiveness and cost-effectiveness of 2 management strategies for infected total hip arthroplasty in the elderly.ClinⅠnfect Dis,2001,32(3):419-430.

[5]Giacometti A,Cirioni O,Ghiselli R,et al.Comparative efficacies of quinupristin-dalfopristin,linezolid,vancomycin,and ciprofloxacin in treatment,using the antibiotic-lock technique,of experimental catheter-related infection due to Staphylococcus aureus.Antimicrob Agents Chemother,2005,49(10):4042-4045.

[6]HuaX,TaoH,FangW,etal.Single-stageinsitusuturerepairof multiple-ligament knee injury:a retrospective study of 17 patients(18knees).BMCMusculoskeletDisord,2016,17(1):41.

[7]Clyne B,Olshaker JS.The C-reactive protein.J Emerg Med,1999,17(6):1019-1025.

[8]Sukeik M,Patel S,Haddad FS.Aggressive early debridement for treatment of acutely infected cemented total hip arthroplasty.Clin Orthop Relat Res,2012,470(11):3164-3170.

[9]Spangehl MJ,Masri BA,O'Connell JX,et al.Prospective analysis of preoperative and intraoperative investigations for the diagnosis of infection at the sites of two hundred and two revision total hip arthroplasties.J Bone Joint Surg Am,1999,81(5):672-683.

[10]Ali F,Wilkinson JM,Cooper JR,et al.Accuracy of joint aspiration for the preoperative diagnosis of infection in total hip arthroplasty.JArthroplasty,2006,21(2):221-226.

[11]Vos FJ,Bleeker-Rovers CP,Corstens FH,et al.FDG-PET for imaging of non-osseous infection and inflammation.Q J Nucl Med MolⅠmaging,2006,50(2):121-130.

[12]Stumpe KD,Strobel K.18F FDG-PET imaging in musculoskeletal infection.Q J Nucl Med MolⅠmaging,2006,50(2):131-142.

[13]Palestro CJ.Radionuclide imaging of osteomyelitis.Semin Nucl Med,2015,45(1):32-46.

[14]Termaat MF,Raijmakers PG,Scholten HJ,et al.The accuracy of diagnostic imaging for the assessment of chronic osteomyelitis:a systematic review and meta-analysis.J Bone Joint SurgAm,2005,87(11):2464-2471.

[15]Hartmann A,Eid K,Dora C,et al.Diagnostic value of 18FFDG PET/CTin trauma patients with suspected chronic osteomyelitis.EurJNucl MedMolⅠmaging,2007,34(5):704-714.

[16]Wang GL,Zhao K,Liu ZF,et al.A meta-analysis of fluorodeoxyglucose-positron emission tomography versus scintigraphy in the evaluation of suspected osteomyelitis.Nucl Med Commun,2011,32(12):1134-1142.

[17]Schiesser M,Stumpe KD,Trentz O,et al.Detection of metallic implant-associated infections with FDG PET in patients with trauma:correlation with microbiologic results.Radiology,2003,226(2):391-398.

[18]de Winter F,van de Wiele C,Vogelaers D,et al.Fluorine-18 fluorodeoxyglucose-position emission tomography:a highly accurate imaging modality for the diagnosis of chronic musculoskeletal infections.J Bone Joint Surg Am,2001,83-A(5):651-660.

[19]Wenter V,Müller JP,Albert NL,et al.The diagnostic value of[(18)F]FDG PET for the detection of chronic osteomyelitis and implant-associated infection.Eur J Nucl Med MolⅠmaging,2016,43(4):749-761.

[20]Syvänen J,Peltola V,Pajulo O,et al.Normal behavior of plasma procalcitonin in adolescents undergoing surgery for scoliosis.Scand J Surg,2014,103(1):60-65.

[21]李之琛,卢伟杰,陈东峰,等.降钙素原诊断骨科大手术后手术部位感染的临床研究.中华骨与关节外科杂志,2016,9(5):432-435.

[22]Ruuskanen O,Lahti E,Jennings LC,et al.Viral pneumonia.Lancet,2011,377(9773):1264-1275.

[23]Haasper C,Kalmbach M,Dikos GD,et al.Prognostic value of procalcitonin(PCT)and/or interleukin-6(ⅠL-6)plasma levels after multiple trauma for the development of multi organ dysfunction syndrome(MODS)or sepsis.Technol Health Care,2010,18(2):89-100.

[24]Yasmin D,Bulut G,Yildiz M.[Can procalcitonin be used for the diagnosis and follow-up of postoperative complications after fracture surgery?].Acta Orthop Traumatol Turc,2006,40(1):15-21.

[25]Chung YG,Won YS,Kwon YJ,et al.Comparison of serum CRP and procalcitonin in patients after spine surgery.J Korean Neurosurg Soc,2011,49(1):43-48.

[26]Buttaro MA,TanoiraⅠ,Comba F,et al.Combining C-reactive protein and interleukin-6 may be useful to detect periprosthetic hip infection.Clin Orthop Relat Res,2010,468(12):3263-3267.

[27]Wirtz DC,Heller KD,Miltner O,et al.Ⅰnterleukin-6:a potential inflammatory marker after total joint replacement.Ⅰnt Orthop,2000,24(4):194-196.

[28]Di Cesare PE,Chang E,Preston CF,et al.Serum interleukin-6 as a marker of periprosthetic infection following total hip and knee arthroplasty.J Bone Joint Surg Am,2005,87(9):1921-1927.

[29]Moojen DJ,Spijkers SN,Schot CS,et al.Ⅰdentification of orthopaedic infections using broad-range polymerase chain reaction and reverse line blot hybridization.J Bone Joint Surg Am,2007,89(6):1298-1305.

[30]Gallo J,Sauer P,Dendis M,et al.[Molecular diagnostics for the detection of prosthetic joint infection].Acta Chir Orthop Traumatol Cech,2006,73(2):85-91.

[31]Fenollar F,Lévy PY,Raoult D.Usefulness of broad-range PCR for the diagnosis of osteoarticular infections.Curr Opin Rheumatol,2008,20(4):463-470.

[32]Fihman V,Hannouche D,Bousson V,et al.Ⅰmproved diagnosis specificity in bone and joint infections using molecular techniques.JⅠnfect,2007,55(6):510-517.