α-防御素在关节置换术后假体周围感染诊断中的研究进展

韦宝琛 张祥洪 彭伟秋 李富明

作者单位：545006 柳州，广西科技大学附属柳州市人民医院关节骨病科

随着人口老龄化和高能量损伤年轻患者的不断增加，人工关节置换患者的基数日益增大，其手术并发症的问题也越备受关注。假体周围感染(periprosthetic infection，PPI)是关节置换术后难以避免的灾难性并发症之一，会导致严重的健康与社会经济负担，植入物的失败需要相当大的的医疗成本行再次手术，也会显著降低患者的生活质量[1]。 文献报道，初次全膝关节置换(total knee arthroplasty，TKA)术后 PPI 的发生率约 1%～4%[2]；初次全髋关节置换(total hip arthroplasty，THA)术后 PPI 的发生率约 1%，而 PPI 在髋、膝关节翻修术后的发生率与初次关节置换发生率相比分别增加 3.2 倍与 2 倍[3]，与 PPI 相关的患者死亡率约 2.7%～18.0%，其值明显高于初次关节置换术与非感染性翻修术的患者死亡率[4-6]，故研究 PPI 的诊断与治疗一直是临床研究的热点。随着医学技术的不断发展与进步，关节置换术的安全性及有效性有很大提升，但仍无法完全避免术后 PPI 的并发症发生。临床表现与影像学表现是诊断 PPI 常用的诊断依据，但是 PPI 的诊断临界值版本仍众说纷纭，以及缺乏绝对金标准，目前对关节 PPI 尚缺乏一种可靠的、高效的诊断方法[7]。有文献报道，PPI 的临床表现通常滞后于影像学表现[8]，同时临床常用的生物学指标或存在高敏感性而低特异性的问题或存在高特异性而低敏感性，甚至还有一些指标诊断的准确性较低[9]。近年来，关节液生物标志物在 PPI 诊断中越来越受到重视，已有研究报道生物标志物的诊断价值可能优于目前临床常用的一些诊断指标[10]，也有不少文献报道关节液中 α-防御素在 PPI 的诊断上具有较高的敏感性与特异性[11-12]。

一、PPI 的诊断标准

PPI 的处理原则与无菌性松动完全不同，不及时的诊断或漏诊将会增加治疗失败的风险，因而及时的早期诊断与治疗极为重要。目前临床上 PPI 的诊断大多需要结合详细的病史与体格检查、血清学、微生物学、病理学及影像学等辅助检查结果进行综合分析。PPI 的诊断工作似乎很充足、有很多辅助检查可供选择，然而大量的实验室参数与诊断工具提示 PPI 诊断是非常复杂的，以及目前仍未达成 PPI 的诊断共识。学者们认为的诊断“金标准”，微生物培养也有假阳性与假阴性结果，尤其是低毒性 PPI 的 诊断。

为了提高 PPI 诊断的准确性，多项研究提出了 PPI 的诊断标准，而目前应用最为广泛的是肌肉骨骼感染协会(musculoskeletal infection society，MSIS)和 2013年的国际共识会议(international consensus meeting，ICM)[13-14]，其包括主要标准与次要标准，符合 2 个主要标准的任意 1 个或符合 5 个次要标准的任意 3 个即可诊断为 PPI。其中主要标准为：( 1)2 个或 2 个以上关节液或组织标准微生物培养为阳性；( 2)受累关节存在与关节腔相通的窦道。次要标准为：( 1)C 反应蛋白升高(急性期＞100 mg / L，慢性期＞10 mg / L)、血沉升高(急性期没有限定值，慢性期＞30 mm / L)；( 2)关节液白细胞计数升高(急性期＞ 10 000 / ml；慢性期＞3000 / ml)；( 3)关节液白细胞计数升高(急性期＞90%，慢性期＞80%)；( 4)病理切片 5 个或 5 个以上的高倍镜视野下发现超过 5 个白细胞；( 5)1 个关节液或关节组织标本微生物培养阳性。研究表明 MSIS 制订的 PPI 诊断指南是用于鉴别关节 PPI 与非感染性疾病的主要标准，然而也存在一些不足：如脓肿的观察与病理切片的解读等诊断指标的判断带有一定的主观性、微生物培养周期及培养次数会延长诊断周期、复杂的临床治疗不便于临床应用、以及会议共识强调不满足 MSIS 诊断标准的也有 PPI 的患者发现等[10,15]。因此，对于依据临床症状与体征怀疑 PPI 的患者，需完善更进一步的检查后，临床医生通过详细的评估所有的术前及术中资料做出综合判断。

二、PPI 的诊断方法

PPI 的诊断是一个颇具挑战性的难题，其目前的诊断方法可归纳为直接诊断依据与间接诊断依据。

直接诊断依据包括从假体周围组织、关节液或血液样本中分离出病原菌或分子生物学诊断。PPI 早期临床症状不典型，采血时机、无菌技术、培养基特性等因素干扰，以及 PPI 患者围手术期常规应用抗生素、生物膜的干扰，常规的外周血培养会造成假阴性或污染导致的假阳性结果，因此在 PPI 的诊断中存在较大的局限性[16]。低毒性微生物感染的情况下，假体周围组织培养方法表现出较低的敏感性和较大的波动性，虽然研究表明超声裂解液培 养[17]比传统组织培养有更高的敏感性与特异性，特别是围手术期常规应用抗生素的患者，但是假体周围组织培养的取材方式限制了其使用。聚合酶链反应(polymerase chain reaction，PCR)技术是比较常用的分子生物学诊断，而 PCR 技术的复杂性、操作技术的高要求、以及诊断成本和实用性限制了该技术在医疗机构把其作为常规诊断手段[18]。目前被认为诊断 PPI 的金标准是直接组织培养和病理学检查，但由于这些途径均需要通过外科手术来获取病理组织标本，因此也限制了在临床工作中使用[19]。

间接诊断依据有常规血液检查，如白细胞计数、红细胞沉降率、C-反应蛋白和降钙素原等。新实验室标记物包括白细胞介素、Toll 样受体、肿瘤坏死因子 -α- 和干扰素等；以及组织病理学检测、影像学检查等。红细胞沉降率和 C-反应蛋白是炎症反应的非特异性标记物，在炎性病变存在时其值都会明显升高，同时当其值在正常范围时也不能排除 PPI，尤其是低毒性感染患者[20]。根据 MSIS 的诊断标准[13]，目前 PPI 的诊断标准中出现的和临床上经常用的实验室检测指标都是间接的反映感染和炎症水平的诊断指标。这些指标从理论上可以体现是否有 PPI，但是因为这些指标同时反映了全身系统性的感染及炎症，所以缺乏诊断 PPI 的准确性和特异性，尤其是那些产生较低的系统反应或不产生系统性反应的病原微生物感染所致的 PPI[21-22]。文献表明新实验室标记物研究中，只有干扰素-6 敏感性和特异性达到 90%，同时也指出在无菌松动的情况下其值是正常的[23]。Zimmerli 等[24]对组织病理检测的准确性有所质疑，他们认为不同观察者间差异性和样品之间甚至在个体组织切片的渗透程度方面变化很大，会影响该检测的敏感度及特异度。影像学检查有 X 线片、超声检查、计算机 X 线断层扫描(computer tomography，CT)、 磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、减金属伪影 MRI、放射性核素显像、关节造影及单光子发射计算断层扫描(SPECT / CT)等，它们是 PPI 诊断中不可或缺的证据支持，但也存在不足之处，须结合临床表现及其它辅助检查尚能更好地发挥作用[25]。目前间接诊断依据中的新生物标记物在 PPI 诊断中的应用受到众多学者的关 注[10,26, 27]，他们提出的生物标记物对于 PPI 具有优良的诊断性能。Deirmengian[28]和他的团队发现了 5 个具有很高敏感度、特异度和曲线下面积的生物标记物，其可以完全有效的区分无菌与感染，该 5 个生物标记物包括：关节液 α-防御素 1-3、中性粒细胞弹性蛋白酶、抑菌 / 细菌通透性增强蛋白、中性粒细胞明胶酶相关蛋白、乳铁蛋白，而关节液 α-防御素是目前的研究热点[26]。

三、α-防御素的应用现况

1. α-防御素的概述：α-防御素是一种带正电荷的两性分子抑菌肽，在人体中 α-防御素主要由中性粒细胞及小肠 Paneth 细胞合成与分泌。当病原体感染后，中性粒细胞分泌 α-防御素到关节液里面，然后通过静电作用黏附到病原菌细胞膜上，增加细胞膜通透性，通过使细胞外物质进入而细胞内重要物质渗出细胞膜，从而快速杀死病原菌，从而给免疫系统提供抗菌支持，参与自发和适应性免疫反应过程[15,29]。中性粒细胞内 α-防御素的含量丰富，甚至当中性粒细胞破裂后，α-防御素仍能得以保存[30]，同时研究发现 α-防御素免疫应答对于 PPI 的诊断有较高的准确性。因此临床上应用 α-防御素检测来测量关节液中 α-防御素多肽的浓度协助 PPI 的诊断[31-32]。

2. α-防御素的临床应用价值：关节液 α-防御素是一种能够诊断 PPI 的关节液生物标志物。与滑液中的 C-反应蛋白相比，α-防御素检测有更高的敏感性和特异性。研究发现合并系统性炎症(如类风湿、假性痛风、克罗恩病等)的 PPI 患者，当应用血清生物标志物诊断时会因体内炎性因子水平因素而干扰 PPI 的诊断，而滑液 α-防御素标志物并不受这些炎性疾病的干扰[28]。血沉、血清 C-反应蛋白、血清白细胞介素-6、血清降钙素原等比关节液 α-防御素更容易受炎症反应状况的影响，因此学者们一致认为关节液 α-防御素具有更高的特异性与敏感性，但关节液 α-防御素仍可能或多或少也有受到其它非感染性炎症的干扰[33]。通常临床工作中 PPI 患者在取关节液或者组织标本进行细菌培养前基本都使用过抗生素，会杀灭或抑制大量的细菌，故而会导致细菌培养的阳性率降低。临床上常采取重复穿刺抽吸培养[34]及超声降解法清除假体黏附的细菌[35]来提高细菌培养的阳性率。笔者认为正确恰当的培养以及培养方法与时间等因素会干扰病原菌培养的准确率，特别是一些真菌或分枝杆菌的感染，而单一关节液 α-防御素检测是否具有极高的敏感性与特异性尚需更进一步的研究探讨。

PPI 的病原菌谱复杂，可以是单一病原菌或多种病原菌混合感染引起。陈志等[36]报道，PPI 以革兰氏阳性菌为主，而近年来革兰氏阴性菌导致的 PPI 患者有所增加。同时也有不少研究发现不同地区、不同医疗机构导致 PPI 的病原菌分布不同，以及同一医疗机构不同时期 PPI 的病原菌分布也会发生改变[37]。病原菌谱复杂、分布差异、毒力的增强以及耐药率的增加等使 PPI 的诊治更具挑战性，增加了目前直接与间接诊断依据的难局限性。Deirmengian 等[1]研究得出关节液 α-防御素检测对不同病原菌均能正确诊断，但该研究存在临床数据不足等，尚不能评价关节液 α-防御素诊断 PPI 的准确性，仍需要大样本、多中心的研究证实。

研究发现单个指标诊断 PPI 时，关节液 α-防御素的敏感性与特异性较多数传统诊断指标高，但是关节液 α-防御素的敏感性和特异性与细菌培养、关节液白细胞计数相比差异无统计学意义[12]。由于细菌培养所需时间较长，无法实现 PPI 的快速诊断；以及关节液白细胞计数所需的关节液量远远大于关节液 α-防御素的检测，因此关节液 α-防御素检测对于 PPI 的诊断具有更高的应用价值[31]。综上所述，关节液 α-防御素与传统检查方法相比更有优点：( 1)α-防御素的敏感性和特异性均高于 C-反应蛋白、血沉和关节液细菌培养[33,38-41]。 Deirmengian 等[1]通过对 149 例进行研究分析，最后得出 α-防御素诊断 PPI 的敏感性和特异性分别为 97.3% 和 95.5%，而关节 C-反应蛋白的敏感性和特异性只有 97.3% 和 78.6%。( 2)前期抗生素使用和潜在的系统性疾病对关节液 α-防御素检测效果无明显影响[41-42]。Shahi 等[41]的研究表明 PPI 患者在诊断前服用抗生素不会影响关节液 α-防御素对关节 PPI 的诊断。( 3)研究表明在不同细菌种类、毒力、病变部位的 PPI 诊断中，α-防御素均具有较高的敏感性和特异性[43]。( 4)α-防御素联合其它关节液检查诊断价值更大。有研究表明单独使用关节液 α-防御素进行快速诊断时，会出现假阳性与假阴性，也无法获得正确的判断，由于 PPI 临床诊断的复杂性，单一的诊断指标往往无法正确且快速的做出诊 断[38,44]。Deirmengian 等[42]通过一项前瞻性大样本研究，结果显示联合关节液 C-反应蛋白和关节液 α-防御素对 PPI 具有很高的诊断价值，也说明了关节液 α-防御素联合其它实验室指标能获得更高的敏感性和特异性。

3. α-防御素在关节骨科的研究进展：2014年，Deirmengian 等[28]提出 PPI 诊断进入生物标志物时，生物标志物被认为对 PPI 的诊断具有优良的诊断性能，而关节液 α-防御素成为目前生物标志物中的研究热点，其在诊断 PPI 时比目前常规检测手段更有效的功能得到众多学者认可。同时随着科学的发展，目前 α-防御素检测已经发展起来，并且作为一种诊断 PPI 的实验室商业性生物 指标[28,42,45]。

总之，PPI 的诊断目前仍存在挑战，尚无一种高效的实验室指标成为 PPI 诊断的“金标准”。PPI 的传统诊断方法或存在低敏感性或低特异性的局限，抗生素的滥用及细菌微生物膜的形成使 PPI 的诊断愈加困难。虽然大多数学者们认为 MSIS 诊断标准是一项较合理的诊断共识，但是 MSIS 标准较为复杂，难于广泛应用于临床实践。为了准确且及时诊断 PPI 患者，临床工作中迫切需要一批新的现代分子生物学手段协助诊断。关节液 α-防御素对 PPI 诊断具有重要潜在价值，特别是当关节液 α-防御素联合应用其它指标时有很高的敏感性与特异性，在 PPI 的诊断价值上其毫无疑问有很大潜力，有望成为诊断 PPI 的新型标志物。关节液 α-防御素同样也存在不足之处，建议在检测关节液 α-防御素的同时，与传统指标及其它新型指标结合起来，同时兼顾敏感性与特异性，从而提高 PPI 诊断阳性率[46]，进而更好的发挥临床作用。