人工关节假体周围感染诊断生物标志物研究进展

鲁启源 卢建华

（1.浙江中医药大学第一临床医学院，浙江 杭州 310053；2.浙江省中医院，浙江 杭州 310006）

人工关节置换术是一项重大的医学进步，能够减轻患者的疼痛、恢复活动能力，并提高生活质量。然而，人工关节置换术后关节假体周围感染（periprosthetic joint infection，PJI）的发生率在初次手术中达2%～4%，翻修时则接近20%[1]，是一种严重损害患者健康和增加社会经济负担的并发症，所造成的经济成本比初次关节置换高4倍[2]，造成多次手术干预、延长住院时间和较高的并发症发生率等不良后果。准确、及时诊断PJI对假体植入手术至关重要，它不仅决定了治疗策略，还影响着人工关节置换术的临床疗效。

临床一般通过详细询问病史和进行相关检查对PJI进行初步诊断。早期（＜3个月）和延迟/晚期（3～24个月）PJI的临床症状不明显，轻度感染和术后早期感染难以及时被发现。不同机构或组织建议的PJI感染判断标准不同，大多数研究目前使用的是肌肉与骨骼感染协会（the Musculoskeletal Infection Society，MSIS）定义的标准[3]。

2018年，MSIS推出了基于评分的新标准[4]，但该标准尚未在更大范围内得到验证，所以最新的《中国PJI诊断和治疗指南》[5]仍推荐将MSIS 2012年的标准作为PJI目前的诊断标准。不同的生物标志物在诊断PJI方面有不同的效能，如何取舍是一个难题。本文选取了临床常用和最新的生物标志物，介绍其在诊断PJI中的研究进展和不同的选取条件。

1 PJI诊断生物标志物及其检测技术

C反应蛋白（C-reactive protein，CRP）和红细胞沉降率（erythrocyte sedimentation rate，ESR）是目前诊断PJI的首选生物标志物[3]。白细胞介素（interleukin，IL）6、α-防御素1（alphadefensin 1，DEFA1）、可溶性细胞黏附分子1（soluble intercellular adhesion molecule-1，sICAM-1）和短链胞外脂磷壁酸（short-chain extracellular lipoteichoic acid，sce-LTA）IgG可以作为PJI诊断的补充指标。白细胞酯酶（leukocyte esterase，LE）因检测耗时短被广泛用于术中，但受到关节液条件的严格限制。DEFA1-IL-1B-乳铁传递蛋白（lactotransferrin，LTF）超快基因分析则没有相关限制，可作为手术中关节液被污染时LE检测的替代指标。D-乳酸和腺苷脱氨酶（adenosine deaminase，ADA）因成本低和检测快速的优点，在基层医疗机构得到广泛应用。滑膜液中性粒细胞CD64指数（neutrophil CD64 index，nCD64I）和滑膜液中部分可溶性免疫调节物在分子层面上为PJI的诊断提供了新的方向。全转录组高密度微阵列分析有利于确定新的PJI诊断生物标志物，并帮助临床进一步了解PJI的分子病理生理学特性。

1.1 血清和滑膜液CRP、ESR检测

CRP和ESR是使用最广泛的血清标志物，检测时间短、侵入性小，易于获取。CRP诊断PJI的敏感性和特异性分别为74%～95%和20%～100%[5]。PAJIUK等[6]在对4 939名参与者的研究中发现，血清CRP诊断PJI的敏感性为87.5%[6]。有学者建议将血清CRP＞93 mg/L作为执行关节液抽吸的最佳临界值[1]。ESR诊断PJI的敏感性和特异性分别为42%～94%和33%～87%[7]。ESR和CRP升高也可见于糖尿病、终末期肾功能衰竭、慢性心力衰竭、贫血和肥胖等非感染性疾病和妊娠期女性，因此不能仅仅依靠这2个指标来诊断PJI，可将其用作PJI临床诊断的辅助指标。CRP单独检测判断PJI的假阴性率较高，特别是在低毒力的病原体引起的低级别感染中[8]。当按物种对致病微生物进行分级时，由丙酸杆菌属（Propionibacterium）、凝固酶阴性葡萄球菌（coagulase-negativeStaphylococcus）和粪肠球菌（Enterococcusfaecalis）引起的感染，患者血清CRP水平显著低于由金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）和链球菌（Streptococcus）引起的感染。与急性血源性感染相比，慢性PJI患者血清CRP水平相对较低[8]。

机体受到炎症刺激时，CRP和ESR水平均会不同程度升高[9]。CRP通常在手术后第2天迅速升高，并在术后第21天恢复到正常水平；而ESR在术后第5天达到峰值，在术后3个月下降到接近术前。最近一项研究推荐以ESR＞30 mm/h和CRP＞10 mg/L[10]作为诊断PJI的最佳临界值。值得注意的是，是否患有原发性炎性关节病（包括系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎和痛风）对确定CRP诊断PJI的最佳临界值无影响。

滑膜液CRP诊断PJI的价值高于血清CRP。当滑膜液CRP水平低于2.78 mg/L时，可排除PJI[11]。最近一项研究发现，滑膜液CRP诊断慢性PJI的最佳临界值为7.26 mg/L，敏感性为84.62%，特异性为93.10%[12]。然而，低毒力细菌会黏附在植入物表面，形成生物膜，从而逃避宿主免疫，导致炎症反应减弱[13]，因此不推荐单独使用滑膜液CRP来诊断慢性PJI。

联合应用血清CRP和滑膜液CRP是一个很好的选择。组合模型Ⅰ（血清CRP＞10.2 mg/L或滑膜液CRP＞7.26 mg/L）对PJI的阴性预测值（negative predictive value，NPV）为96.67%，敏感性为97.44%；组合模型Ⅱ（血清CRP＞10.2 mg/L和滑膜液CRP＞7.26 mg/L）的特异性为100%，阳性预测值（positive predictive value，PPV）为100%；首先采用组合模型Ⅰ获得更高的诊断敏感性，并降低假阴性率，然后采用组合模型Ⅱ降低假阳性率[11]。ABDELBARY等[14]也认可这种联合诊断方法，对无法通过联合诊断方法确诊的患者可辅以更具体的滑膜测试和微生物学测试，以尽量减少漏诊和误诊。

值得注意的是，接受免疫抑制治疗的患者发生PJI的风险较大，很多处于免疫抑制状态的PJI患者未检出典型的PJI实验室指标变化，且CRP、ESR等传统生物标志物诊断效能比较低[15]，所以应高度关注免疫抑制患者是否发生PJI。

1.2 中性粒细胞Fcγ受体I（neutrophil Fcγ receptor I，FcγRI）

中性粒细胞是急性炎症过程中的关键效应细胞，而FcγRI在介导细菌感染的炎症中起重要作用，因此可以作为PJI的一个有价值的生物标志物。Fcγ受体分为三大类：FcγRⅠ（CD64）、FcγRⅡ（CD32）和FcγRⅢ（CD16）。其中，CD64是唯一的高亲和力受体，在巨噬细胞上组成型表达[16]。CD64水平不受免疫缺陷的影响，健康个体中性粒细胞CD64水平非常低。然而，当微生物和炎症细胞因子存在时，中性粒细胞CD64的表达将显著增加。所以，CD64有助于PJI的诊断[17]，且诊断效能优于其他PJI生物标志物，包括血清ESR和血清CRP。有研究结果显示，滑膜液CD64诊断PJI的最佳临界值为0.85，敏感性为92.0%，特异性为96.0%[18]。

1.3 滑膜液中的可溶性免疫调节标志物

免疫调节标志物包括可溶性淋巴细胞活化基因-3（soluble lymphocyte activation gene-3，sLAG-3）、细胞毒性T淋巴细胞相关抗原-4（cytotoxic T lymphocyte associated antigen-4，CTLA-4）、可溶性白细胞分化抗原27（soluble cluster of differentiation 27，sCD27）、可溶性白细胞分化抗原80（soluble cluster of differentiation 80，sCD80）、可溶性白细胞分化抗原28（soluble cluster of differentiation 28，sCD28）、T细胞免疫球蛋白黏蛋白结构域分子-3（T cell immunoglobulin mucin domain molecule-3，Tim-3）、可溶性程序性死亡受体-1（soluble programmed death receptor-1，sPD-1）、吲哚胺2，3双加氧酶（indoleamine 2，3 dioxygenase，IDO）、可溶性BT淋巴细胞衰减因子（soluble BT lymphocyte attenuation factor，sBTLA）。相较而言，PJI通常是一种慢性感染。有研究发现，没有植入假体的天然关节中可溶性免疫调节标志物的平均浓度一般较低，没有感染迹象或无菌性松动患者的关节中，其浓度一般低于有无菌植入失败病史患者的关节，PJI患者关节中可溶性免疫调节标志物的浓度往往最高；sCD27、sBTLA和sCD80则是例外，这3个生物标志物在没有感染迹象或无菌性松动关节组中最高，高于PJI组；这些免疫调节标志物分子不受手术部位、类风湿性关节炎或2型糖尿病的影响，或仅受到轻微影响；上述免疫调节标志物是诊断PJI新的指标[19]。

1.4 滑膜液DEFA1

目前，有3种检测滑膜液DEFA1的方法：酶联免疫吸附试验（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）、α-防御素侧流试验（alphadefensin lateral flow test，ADLF）、基质辅助激光解吸电离时间飞行质谱（matrix-assisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry，MALDI-TOF MS）。

滑膜液DEFA1诊断PJI的效能优于血清DEFA1。然而，ELISA需要24 h才能报告结果。虽然即时检测可在10 min内提供结果，但与ELISA相比，其敏感性较低（69%～92%）[20-22]。

BALATO等[23]发现，ADLF和ELISA诊断PJI的敏感性分别为83%和97%，特异性分别为94%和96%，所以如果关注诊断的准确性，应首先考虑ELISA。然而，DEIRMENGIAN等[24]认为可能是操作程序不同导致ADLF的准确性降低。

ELISA测定DEFA1的敏感性为81.1%～97.0%，特异性为95.0%～100%[25-27]。有研究结果显示，ELISA诊断PJI的敏感性和特异性分别为78.2%和96.6%，但有22%的PJI翻修患者仍存在假阴性问题，且大多数假阴性检测结果是由低毒力的微生物（凝固酶阴性葡萄球菌、肠球菌、痤疮皮肤杆菌）引起的，所以低毒力病原菌感染中患者DEFA1水平仍需要进一步的研究来确定更符合临床需求的临界值[28]。

MALDI-TOF MS的总体准确率为94.9%，敏感性为93%，特异性为96%，只需要几毫升滑膜液即可进行分析，20 min即可出结果，成本较低，血液或碎片污染也不影响其可靠性[29]。

DEFA1免疫测定法诊断PJI的敏感性和特异性均较高，这一点几乎没有争议。然而，近期也有研究认为将滑膜液DEFA1检测添加到常规血清学和滑膜液分析中并不能明显提高诊断效能，所以建议仅在PJI诊断不明的情况下（如无法通过常规血清学和滑膜液指标来诊断PJI时）增加滑膜液DEFA1检测[30-31]。

总之，ELISA虽然具有较高的敏感性和特异性，但需要专门的实验室和复杂的程序，成本高、耗时长（约24 h），不符合快速诊断需要；而α-防御素侧流试验除成本高外，其有效性也是需要考虑的问题；另外，虽然MALDI-TOF MS有着很大的优势，但仍需要进一步的研究。

另外，类风湿性关节炎和其他炎症性关节炎患者在无感染的情况下DEFA1也会升高[32]，这可能也是MALDI-TOF MS检测结果的干扰因素之一[33]。

1.5 滑膜液LE

滑膜液LE可催化感染部位中性粒细胞释放的结缔组织基质降解。LE检测诊断PJI的敏感性和特异性分别为100.0%和93.8%[34]。其检测速度快（约20 min）、成本低，且无需专用仪器；其另一个优势是，术中评估滑膜液LE和CRP可能会提高PJI诊断的准确性，可能替代术中冷冻切片。需要注意的是：血液、金属和其他碎片可能会干扰LE检测，实验室需要对样本进行离心处理，以减少干扰。除此之外，LE检测对滑膜液量也有一定的要求。

1.6 滑膜液D-乳酸

微生物负荷低，延迟感染仅会引起细微的临床体征和症状变化。虽然细菌代谢随着生物膜的成熟而减少，但仍会产生可检测量的D-乳酸。D-乳酸几乎完全由细菌产生，因此是一种有效的细菌感染生物标志物，培养阴性的临床样本中，D-乳酸水平升高可提示细菌感染。

D-乳酸的有效性与滑膜液白细胞计数相当，滑膜液D-乳酸（临界值为1.263 mmol/L）诊断PJI的敏感性为86.4%，特异性为80.8%[35]，且病原菌的毒力不影响D-乳酸浓度。除此之外，D-乳酸检测需要的滑膜液量少（50 μL），检测时间短，成本低，可与具有更高特异性的确认性测试结合，以提高特异性。

1.7 IL-6

IL-6是一种炎症细胞因子，可介导发热和急性期反应，它不仅是CRP的前体，还可触发多数生物标志物向炎症部位趋化，优势是其水平在无菌性关节松动患者中正常。

血清I L-6 诊断P J I 的最佳临界值为9.14 pg/mL，敏感性、特异性和NPV分别为81%、63%和85%。与滑膜液白细胞（white blood cell，WBC）计数联合检测，敏感性、特异性和NPV分别为100%、90%、100%[36]。IL-6是极好的PJI筛查指标。

然而，IL-6对于术后3 d内PJI的诊断准确性不高，且检测成本较高，操作复杂，不宜推广。

1.8 基于实时荧光定量聚合酶链反应（quantitative real-time polymerase chain reaction，qRT-PCR）的超快基因分析

假体周围组织的基因分析有助于确定PJI感染的真实阶段，从基因层面反映PJI（特别是低级别的PJI）的早期、晚期和恢复期，而滑膜液和血清生物标志物无法达到这一目的，在关节液有限、不可用，或被血液等污染，以及在其他生物标志物检测结果相互冲突的情况下，可有效判断PJI。特征选择算法结果显示，DEFA1-IL-1B-LTF模式最适合排除PJI，敏感性为94.5%，特异性为95.7%[37]，且DEFA1-IL-1BLTF基因表达检测使用与电子计算机相连的超快速qRT-PCR可以在采样45 min内筛查出PJI患者，这对于早期、晚期和恢复期PJI和低级别PJI患者的分层诊疗具有重要意义，且因其准确、快速的优势，为术中诊断开辟了一条新路，特别是对于假体关节翻修手术患者而言，意义更大。

然而，基于qRT-PCR的超快基因分析需要特定仪器，成本较高，且DEFA1-IL-1B-LTF基因模式尚未在更大的研究层面上得到验证，目前难以推广。

1.9 滑膜液ADA

滑膜液ADA是一种具有抗炎和组织保护特性的嘌呤核苷，浆液性体液中的ADA水平可能有助于免疫系统的激活。滑膜液ADA＞61 U/L诊断PJI的敏感性为78.3%，特异性为96.9%[38]。ADA检测的最大的优势在于操作简单，成本很低，与滑膜液WBC计数同时检测可以替代某些高成本的检测项目。

1.10 转录组广谱高密度微阵列分析相关基因及其转录谱

急性感染引起的PJI通常比较容易检测，如滑膜液中的CRP、ESR、DEFA1，在一定程度上可以诊断急性感染，但是对于慢性感染来说，往往很难诊断。

有研究基于转录组广谱高密度微阵列分析诊断慢性假体周围感染患者和无菌性假体关节松动患者的假体周围组织（主要是脂肪细胞和成纤维细胞），发现两者差异与基因转录谱相关，其中NQO1、DDX24、LCOR、LY6G6C和TRAC这5个基因的差异转录可提示感染改变了假体关节周围组织的转录谱，在这5个基因及其转录谱中，又以NQO1最具价值，其受试者工作特征曲线的曲线下面积为0.924[39]。

转录组广谱高密度微阵列分析通过先识别慢性感染假体周围的基因及其转录谱，再根据这些基因转录谱的次生代谢物来确定新的诊断PJI的标志物，这5个基因及其转录谱的差异可能代表了新的诊断目标。然而，目前尚无上述5个基因相关蛋白表达水平的相关报道，无法用于临床诊断。

1.11 sICAM-1和sce-LTA IgG

sICAM-1和sce-LTA IgG水平可以预测假体髋关节松动患者的感染，是诊断PJI的辅助指标。

WORTHINGTON等[40]发现，sICAM-1是一种完整的膜蛋白，对WBC迁徙到炎症组织中起至关重要的作用。与无菌性松动患者相比，PJI松动患者的sICAM-1水平显著升高，以250 ng/mL为临界值，诊断PJI的敏感性、特异性和准确度分别达到94%、74%和80%。他们认为，血清sce-LTA IgG抗体对凝固酶阴性葡萄球菌感染（包括假体关节感染）患者具有一定的诊断价值。

2 总结与展望

虽然阳性培养结果是诊断假体关节感染的金标准，但培养的高假阴性率使PJI诊断面临挑战。CRP和ESR是诊断PJI的首选生物标志物，IL-6、DEFA1、D-乳酸、ADA、sICAM-1、sce-LTAIgG和LE等作为诊断PJI的新的生物标志物，各有优势，但也应注意其使用限制。滑膜液中性粒细胞CD64指数和滑膜液中部分可溶性免疫调节标志物在分子层面上为PJI的诊断提供了新的方法和方向，DEFA1-IL1B-LTF超快基因分析和转录组广谱高密度微阵列分析等新兴技术则帮助临床从基因层面上更好地认识PJI。

随着对传统标志物的进一步研究，以及新生物标志物与相关检测技术的开发，PJI的诊断效能，会不断提高PJI的诊断会越来越准确。