生物治疗在假体周围感染的临床应用与研究进展

徐一宏 李朔 徐卫东

（海军军医大学附属长海医院关节骨病外科，上海 200433）

人工关节置换术是治疗晚期严重髋、膝关节疾病的主要手术方式。在美英两国，人工髋、膝关节置换例数约为每年80万例，而到2030年这一数字预计将增长到每年400万例[1]。一旦人工关节假体植入体内，就将面临发生假体周围感染（periprosthetic joint infection,PJI）的风险。目前文献报道的PJI发生率在1%～2%[2,3]。因此，PJI 成为人工关节置换术后失败的主要原因之一[4]。

虽然随着假体表面材料的改进、手术技术的进步及抗生素的预防性使用，人工关节置换术后感染率有所下降，但由于人口的老龄化，人工关节置换数量呈现逐年增长的趋势，术后发生假体周围感染的患者数量也在不断增长。

与此同时，假体周围感染的治疗却困扰着关节外科医师。目前临床仍主要采用长期抗生素治疗、保留假体的清创术、一期或二期翻手术，但是这些方法还不能有效应对PJI[5,6]。随着生物技术、纳米技术的发展，PJI 生物治疗正逐渐成为一种新兴的辅助治疗方法。但大多数临床医师对于现有的PJI 生物治疗的临床应用及研究进展缺乏深入的了解和认识。

本文从生物治疗在PJI 中应用的必要性、临床已尝试开展的PJI生物治疗和PJI生物治疗的研究热点三个方面进行综述，旨在阐述生物治疗联合清创或翻修手术在假体周围感染治疗中的应用，为国内开展假体周围感染的生物治疗提供依据。

1 PJI生物治疗的必要性

目前PJI 治疗主要分为保守治疗和手术治疗。保守治疗主要是长期应用抗生素，一般仅适用于低毒性且对抗生素敏感的致病菌所引起的PJI。而手术治疗仍是治疗PJI的主要方法。

然而，由于假体周围感染常伴有致病菌生物膜形成，杀灭生物膜内细菌需要的抗生素浓度是杀灭浮游细菌的1000倍[7]。同时，生物膜这种特殊的菌落形态在应激状态下容易出现菌株突变，从而导致耐药菌株产生的可能性大增[8]。最终，致使假体周围感染治疗效率低下[9,10]。

此外，由于骨组织的渗透性较差，全身使用抗生素毒副作用大，且病灶内难以达到有效杀菌浓度；而局部抗生素使用虽可降低全身毒性，但又存在抗生素的突释、维持时间短、局部抗生素浓度过高，抑制成骨等问题[11,12]。

二期翻修手术联合术后长期抗生素治疗虽然被称为PJI治疗的“金标准”，但二期翻修手术需要多次手术清创及更换假体，患者的住院时间更长，花费巨大。有研究报道，与因无菌性松动而行翻修手术的患者相比，PJI患者的翻修手术创伤更大，住院时间长1.9～2.2 倍，住院花费高2.6～2.8 倍[13]。另一方面术后长期抗生素治疗对于患者的毒副作用较大，部分患者依从性较差，甚至更有少数患者拒绝接受长期抗生素治疗，从而造成病情的反复。

即使PJI 患者采用了二期翻修联合术后长期抗生素治疗这一“金标准”，也并不意味所有的患者都能获得很好的疗效。文献报道，二期翻修手术的感染再发生率为3%～25%不等[14]。对于感染控制不佳的PJI 患者，可能需要行关节融合或截肢手术[15]。因此，PJI 是人工关节置换术后灾难性的并发症。患者需要承受巨大的生理和心理的痛苦，承担高昂的医疗费用，给家庭和社会带来沉重的负担[16]。

现有的假体周围感染的治疗方法都存在各种各样的问题，无法获得较为满意的治疗效果。PJI 的生物治疗方法虽然各不相同，但因其具有破坏生物膜、靶向治疗、降低抗生素最低抑菌浓度等优点，愈发受到关节外科医师的重视。

2 已尝试的临床应用研究

2.1 水凝胶载药系统

水凝胶是以水为分散介质的凝胶。由于其具有可降解性及良好的生物相容性，又能负载多种抗生素，且改性后的水凝胶可以实现抗生素缓释等作用，因此水凝胶被逐渐应用到假体周围感染的治疗之中[17]。水凝胶不但可以直接涂抹于假体表面，也可直接用于关节腔注射，实现精准治疗。

Drago 等[18]利用负载抗生素的水凝胶假体涂层，研究水凝胶对细菌生物膜的作用。结果证实，水凝胶具有抗细菌黏附作用，减少了细菌在假体表面的定植，同时具有稳定的药物缓释能力，可实现长达96小时的抗生素释放。他们发现水凝胶载药涂层可以使最低抑菌浓度降低4倍，且联合抗生素不但可以杀灭多种游离细菌，还能抑制生物膜的形成。

动物实验表面，无论水凝胶是否载药，其都具有良好的生物相容性，且局部都无炎症反应，也并不影响骨长入[19]。Malizos等[20]对256例患者应用水凝胶载药涂层内固定物行骨折内固定术，结果证明水凝胶可以明显降低术后感染率（涂层组0%，对照组4.6%）。Romanò等[21]对380例患者使用水凝胶直接涂抹于人工关节假体表面，平均随访14.5个月，发现水凝胶涂层可以明显降低初次关节置换或翻修术后PJI的发生率（涂层组0.6%，对照组6%），但两组间不良反应发生率无统计学差异。

水凝胶具有良好的生物相容性，又能负载多种抗生素，在临床应用中可以降低PJI的发生率。但是其也存在负载的抗生素缓释时间短，抗生素的突释可能引起细菌的耐药等问题。现有的临床研究随访时间过短，未来在改进上述问题时，还应进行更长时间的随访，以验证其真实的效果。

2.2 抗菌微球载药系统

抗菌微球是一类直径一般为20 μm 左右的新型载药生物材料，常用的材料为海藻酸钠等。抗菌微球可以包裹多种抗生素，当行人工关节置换或二期翻修手术时，将载药微球填充于髓腔，同时其可以填充于生物型假体表面的空隙，发挥局部释放作用，有效杀灭对抗生素敏感的致病菌。抗菌载药微球植入体内后，可逐步降解，具有良好的生物相容性。

与水凝胶载药系统相比，载药微球的药物缓释实验证实，其可实现药物的稳定、长期释放、释放期可长达90 天[22]。Ambrose 等[23]开展了动物实验研究，将载药微球填充于假体与骨质间隙，结果证明其可以有效地治疗金黄色葡萄球菌所引起的PJI，且载药微球的存在不影响假体的骨长入。

Marczak等[24]研究了碳酸钙载药微球负载庆大霉素用于治疗PJI 二期翻修术中的作用。他们将56 例PJI 患者随机分为两组，实验组二期翻修时将载药微球填充于髓腔，随后进行假体固定，而对照组使用空白微球，术后根据药敏或经验性使用静脉输注抗生素1周，随后口服抗生素6周。随访6个月，结果显示实验组感染复发率为0%，而对照组为17.9%。

载药微球可以包裹多种抗生素，具有良好的缓释能力，可长期局部缓释抗生素。二期翻修时，联合载药微球进行治疗，可以显著降低PJI 的感染复发率。但是载药微球填充于髓腔或假体与骨质之间，可能会影响关节的活动度或者可能会影响假体的稳定性。另外，有临床研究报道，硫酸钙载药微球可以导致PJI 翻修术后的高钙血症[25]。因此，未来需要进一步研究其安全性及其对假体稳定性的影响。

2.3 噬菌体靶向治疗

噬菌体广泛存在自然界中，是一种侵袭细菌的病毒，具有降解生物膜蛋白、感染、复制和选择性杀死细菌细胞的能力。

噬菌体通过丝状尾纤维特异性识别并结合细菌表面蛋白，来攻击细菌[26]。它们附着在细菌表面，随后在宿主细胞内进行复制，产生一种“内聚蛋白”的蛋白质。内聚体溶解细菌细胞壁，有效地杀死细胞并释放噬菌体[27]。释放的噬菌体可以再次用来攻击其他的细菌，起到高效杀菌作用。因此，噬菌体可以被视为一种自我放大的治疗方法。

动物实验表明，利用缓释材料负载金黄色葡萄球菌特异性噬菌体，并联合利奈唑胺治疗耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌引起的PJI，可以明显减少细菌黏附并具有良好的杀菌作用，同时并无耐药细菌的产生[28]。

目前临床Ⅰ期试验已经证实，噬菌体具有良好的安全性，可以用于临床治疗[29]。Rose 等[30]报道，应用包含铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌特异性噬菌体的鸡尾酒（两种噬菌体混合液）治疗烧伤后皮肤感染，联合烧伤感染切口常规用的抗生素，可以有效缩短感染治疗病程。

噬菌体虽然可以通过结合致病菌表面蛋白，靶向性治疗临床感染病灶，降低大剂量抗生素使用所带来的毒副作用，但是目前的研究大多针对金黄色葡萄球菌或铜绿假单胞菌所引起的PJI，对于其他致病菌或者混合感染的治疗效果还不明确。同时，噬菌体具有一定的免疫原性，目前只有极少数的临床Ⅰ期实验证明其安全性，未来仍然需要进一步评估。

3 生物治疗的研究热点

目前，随着生物治疗在临床PJI 治疗中的尝试应用，PJI生物治疗的手段及作用机制，也成为假体周围感染领域的研究重点，主要集中在对细菌生物膜裂解剂、靶向治疗、被动免疫、新型假体涂层等多方面的研究。

3.1 生物膜裂解剂

细菌生物膜是一道机械屏障，免疫细胞和抗生素很难进入，抑制吞噬细胞的吞噬作用，抵抗自身免疫系统和抗生素。因此PJI 的治疗关键之一就是裂解生物膜。

分散素B 就是当前研究的一类新型生物膜裂解剂。文献报道，分散素B是一种分子量为40 kDa糖苷水解酶，它能够催化细菌生物膜基质中N-乙酰-D-葡糖胺的水解[31]。而N-乙酰-D-葡糖胺线性聚合物恰恰是组成各种革兰阴性菌和革兰阳性菌生物膜基质结构完整性不可或缺的部分。

因此分散素B 在生物膜的水解中起到了关键作用[32]，目前已知其对乙型链球菌、金黄色葡萄球菌等多种致病菌有效。分散素B联合抗生素使用，可以破坏细菌生物膜，进一步杀灭膜内的致病菌，提高PJI治疗的成功率，同时可以降低抗生素的使用剂量，降低其毒副作用。

未来，通过分散素B 裂解生物膜，联合敏感抗生素杀死膜内细菌，将会是PJI 生物治疗的一大方向。在保留假体清创或翻修术时，将其联合应用，注射于关节腔，可提高手术的成功率，防止感染复发。

3.2 生物靶向治疗

由于现有的抗生素治疗往往需要全身大剂量、长期使用，毒副作用较大。而局部使用抗生素，又有可能因抗生素的突释导致细菌的耐药。因此，PJI 的靶向生物治疗成为新的研究热点。

目前的研究主要是在纳米材料表面标记抗体，通过抗体特异性识别致病菌，同时纳米材料通过化学键或其他方式进行载药，负载的药物可以是抗生素、抗菌肽、溶菌酶等，靶向性地治疗PJI。

有文献报道，通过抗体标记的溶葡萄球菌酶纳米聚乳酸（polylactic acid,PLA）可以有效地杀灭金黄色葡萄球菌[33]。Chen 等[34]报道，用小鼠构建感染模型，通过静脉注射抗体标记的抗菌肽纳米颗粒，用动物成像系统观察抗体标记的抗菌肽纳米颗粒分布情况。结果显示，纳米颗粒可以靶向识别感染病灶。

生物靶向治疗特异性强，负载新型广谱抗生素治疗效果好，结合缓释材料，还能延长治疗时间。另外，生物靶向治疗精确，可以减少抗生素的毒副作用。但是目前靶向治疗多针对常见致病菌引起的PJI的治疗，未来需研究多种致病菌或者多重耐药致病菌的靶向治疗。

3.3 被动免疫治疗

目前被动免疫治疗的主要方法是多克隆抗体和单克隆抗体。被动免疫治疗具有提高机体免疫力的功能，为那些免疫力低下的患者提供有效的治疗方法。同时，联合抗生素治疗可以提高PJI治疗的成功率。

Varrone 等[35]使用抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin-resistantStaphylococcus aureus,MRSA）单克隆抗体治疗大鼠假体相关骨髓炎，来减轻骨髓炎的症状。组织病理学检查提示单克隆抗体可以减轻感染局部骨溶解及脓腔数量，促进金黄色葡萄球菌对巨噬细胞的内化作用，增加感染局部巨噬细胞数量，同时提高巨噬细胞的吞噬能力。

Brady等[36]使用抗生物膜多克隆抗体治疗兔胫骨慢性骨髓炎，分别减少了34%临床感染症状及9%影像学感染表现。如果联合使用万古霉素，则可分别降低67%和87%的感染表现。

虽然现阶段被动免疫治疗仍处在动物实验阶段。但是其所特有的优势，为免疫力低下的患者甚至是免疫缺陷的患者的PJI 提供了新的治疗方向。被动免疫联合抗生素治疗可以进一步提高PJI 治疗的成功率。未来，需要进行更多的临床研究，早日将被动免疫治疗应用于临床PJI的治疗。

3.4 新型假体涂层

目前，临床常用的假体抗菌涂层主要分为两种，抗生素涂层和纳米材料涂层。然而现有的假体涂层，大多存在抗菌时长过短或抗生素的突释等问题。为了解决上述问题，国内外进行了大量的研究。

PJI常见的致病菌为表皮葡萄球菌和金黄色葡萄球菌。这些致病菌在增殖时会产生酸性环境。机体发生炎症反应时，由于巨噬细胞和中性粒细胞的趋化，同样会导致局部的酸化。一般感染或炎性反应时局部pH值通常低至5.5～7.0。当pH值低至上述范围时，抗菌药物被释放，杀灭致病菌。

Pichavant 等[37]利用这一原理，将具有pH 阀门功能的负载庆大霉素的纳米涂层应用于钛合金表面治疗金黄色葡萄球菌引起的PJI，结果证明该涂层可以抑制假体表面致病菌的生长。

抗菌肽涂层是另一种新型的假体涂层。通过带正电荷的抗菌肽直接靶向与带负电荷的细菌的细胞膜相互作用，导致细胞膜破裂和随后的菌体裂解[38]。同时，抗菌肽还具有选择性免疫激活功能，可诱导单核细胞和淋巴细胞衍生的趋化因子和细胞因子的表达，加强抵抗病原菌入侵的内部防线[39]。此外，抗菌肽还能减少参与生物膜形成的细菌鞭毛的生成，发挥抑制生物膜形成的作用[40]。

基于上述独特高效的抗菌机制，抗菌肽涂层具有广谱抗菌特性，且不易耐药。有学者将抗菌肽固定于假体表面，发现抗菌肽涂层假体不但可以有效杀灭金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌，而且还能抑制炎症反应，促进组织愈合[41]。

现阶段有多种实验有效的抗菌涂层，虽然距离临床应用还有一定的实验周期，但是抗菌涂层的临床转化是不可避免的。

4 展望与小结

现阶段，人工关节置换术后感染的患者大多仍采用清创或翻修手术，辅以术后长期抗生素治疗。但是现有的治疗技术并不能保证彻底清除生物膜及杀灭膜内细菌，最终导致感染的迁延不愈。另外，手术翻修创伤大，花费巨大，而术后长期的抗生素治疗，对全身及周围组织毒副作用明显，使得PJI 的治疗始终无法取得突破性进展。

由于生物治疗能够靶向性治疗感染病灶，降低抗生素最低抑菌浓度，能够破坏生物膜或抑制生物膜的生长，因此生物治疗作为一种新兴的治疗手段被应用于临床PJI 的治疗研究中。虽然目前生物治疗在临床PJI的治疗中的应用还不普遍，但现有的水凝胶载药系统、抗菌载药微球系统和噬菌体靶向治疗，已尝试在临床应用，结果显示其联合清创或翻修手术在PJI治疗中具有特有的优势。

随着生物治疗在PJI 临床应用的推广，许多问题也愈发受到大家的关注。首先是生物治疗的安全性问题，即生物治疗PJI 是否安全可靠。其次，由于随访时间较短，生物治疗的远期疗效仍有待进一步的验证。最后如何将生物治疗与现有的保留假体清创或翻修手术相结合，进一步提高PJI 的治疗成功率。因此，未来需要更多的多中心大样本研究，来解答上述问题，最终使得生物治疗能成为临床治疗PJI的有力辅助，甚至主要手段。