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慢性骨髓炎的耐药性感染及光动力疗法在其治疗中的应用

2024-09-23左菊杨小娜郭思威王熙钰陈颖萱赵占娟赵建喜

医学研究与教育 2024年4期
关键词:生物膜

摘要:慢性骨髓炎是由病原菌引起的骨膜、骨质和骨髓的长期持续性炎症,是骨科最常见的慢性并发症之一,其临床治愈率极低,是医学上公认的顽疾。近年来,由于细菌生物膜的广泛形成,使其发病机制愈加复杂,炎症往往不受宿主免疫系统的防御,反复发作,导致骨质严重破坏,继而引起感染后期患肢的残障。目前临床上对该疾病的治疗以抗生素结合手术清创治疗为主, 但慢性骨髓炎的病理生理变化阻碍了抗生素的渗透,使其难以到达病变部位,同时,由于抗生素多重耐药现象逐渐严峻,也增加了慢性骨髓炎的治疗难度。因此迫切需要探寻到一种能够抗感染的治疗新手段。现就慢性骨髓炎的病因、致病机制、难治因素及光动力疗法在抗耐药菌感染方面的优势并结合其在慢性骨髓炎中的最新研究成果做一阐述。

关键词:慢性骨髓炎;生物膜;抗生素耐药;光动力疗法

DOI:10.3969/j.issn.1674490X.2024.04.002

中图分类号:R68""""" 文献标志码:A""""" 文章编号:1674490X(2024)04000807

Drug-resistant infection in chronic osteomyelitis and the application of photodynamic therapy in its treatment

ZUO Ju1,2, YANG Xiaona3, GUO Siwei2, WANG Xiyu4, CHEN Yingxuan2, ZHAO Zhanjuan4, ZHAO Jianxi1

(1. Department of Radiology, Affiliated Hospital of Hebei University, Baoding 071000, China; 2. College of Clinical Medicine, Hebei University, Baoding 071000, China; 3. Department of Endocrinology, Boye County Hospital of Hebei province, Baoding 071300, China; 4. College of Basic Medical Sciences, Hebei University, Baoding 071000, China)

Abstract: Chronic osteomyelitis is a long-term and persistent inflammation of the periosteum, bone and bone marrow caused by pathogenic bacteria, and is one of the most common chronic complications in orthopedics. In recent years, due to the extensive formation of bacterial biofilms, the pathogenesis of chronic osteomyelitis has become more complex, and inflammation is often not defended by the host immune system, and recurs, resulting in severe bone destruction and then disability of the affected limb in the later stage of infection. At present, the clinical treatment of this disease is mainly antibiotic combined with surgical debridement. However, the pathophysiological changes of chronic osteomyelitis hinder the penetration of antibiotics and make it difficult to reach the lesion site, and at the same time, due to the gradual severity of antibiotic multi-drug resistance, it also increases the difficulty

收稿日期:20240412

基金项目:

河北省自然科学基金资助项目(B2022201097);大学生创新创业训练计划(DC2024383);河北大学实验室开放项目 (sy202246)

第一作者:左菊(1999—),女,重庆垫江人,医师,在读硕士,主要从事放射医学研究。E-mail: 15736543234@163.com

通信作者:赵建喜(1966—),男,河北保定人,主任医师,硕士,硕士生导师,主要从事放射医学研究。E-mail: jianxizhaov@163.com

of treatment of chronic osteomyelitis. Therefore, there is an urgent need to explore a new treatment method that can fight infection. This article reviews the etiology, pathogenic mechanism, refractory factors and the latest progress in the treatment of chronic osteomyelitis, focusing on the advantages of the new photodynamic therapy in the resistance to drug-resistant bacteria infection combined with the latest research results in chronic osteomyelitis.

Key words: chronic osteomyelitis; biofilm; antibotic resistance; photodynamic therapy

慢性骨髓炎是由病原体感染引起的骨组织(包括骨皮质、骨髓质和骨膜)化脓性感染,是一种慢性复发性和持续性感染,常由急性骨髓炎转化而来[1- 2]。目前,骨髓炎的治疗以局部或全身的抗生素治疗结合手术清创为主。然而,治疗失败率及感染复发率居高不下[3-5]。预计到2026年,因治疗植入物相关感染的费用将超过16.2亿美元,而如果依旧没有有效措施控制,后续的耗费将不可计量[6]。因此,2018年第二次国际肌肉骨骼感染共识会议依然将肌肉骨骼感染作为骨科术后的最常见并发症,反映了此疾病的顽固性及复杂难治性。到目前为止,该病仍然是现代医学难以逾越的治疗困境,给医疗系统带来极其沉重的负担[6]。慢性骨髓炎无法完全根除感染灶的主要原因在于细菌耐药性的广泛形成,抗生素的大剂量使用导致多药耐药菌出现,细菌生物膜的形成又使其耐药机制趋于复杂[7]。鉴于此,研究慢性骨髓炎耐药的机制及寻求有效抑制细菌生物膜的方法吸引了众多学者。

1" 骨髓炎的流行病学及病原学特点

慢性骨髓炎的临床分型主要分为血源性、创伤性、植入物相关性及糖尿病足骨髓炎,由于中国人口老龄化趋势,继发于创伤和术后植入物相关的慢性骨髓炎人数越来越多,外伤成为导致慢性骨髓炎的主要病因, 胫骨是该病的最好发部位[8]。一项针对105例慢性骨髓炎患者病原学的回顾性分析结果显示,革兰阳性菌中金黄色葡萄球菌是引起骨髓炎感染最多的细菌,革兰阴性菌中感染最多的是铜绿假单胞菌[9]。然而,近年来,金黄色葡萄球菌骨培养的阳性率逐渐呈下降趋势[10]。一些革兰阴性菌诸如肠杆菌属、铜绿假单胞菌或鲍曼不动杆菌等感染占比率却持续上升[11]。多重耐药菌及混合菌感染的报道也随着抗生素的使用频率增加[12]。部分地区超过50%病例由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin resistant staphylococcus aureus, MRSA)菌株感染引起[6]。耐药菌的防治正成为21世纪全球公共卫生领域最令人关注的问题之一[13]。

2" 骨髓炎的发病原因及感染机制

骨髓炎的感染途径多样,既可由血源性微生物引起,也可源自感染组织的直接扩散。在众多感染方式中,通过呼吸道侵入的病原体所引发的局部菌血症尤为常见,成为骨关节感染的主要元凶[14]。对于那些存在感染高危因素的患者,如注射吸毒史、全身感染、内固定植入术后,特别是免疫系统因糖尿病等因素被削弱的个体,应格外警惕骨感染的风险。此时,机体免疫力的降低,无疑增加骨髓炎的发病率。骨髓炎的感染通常好发于长骨的干骺端,特别是儿童更易受累[15]。这是因为此处毛细血管网丰富且血流速度相对缓慢,为细菌的生长提供理想的条件。一旦细菌栓子进入滋养动脉,即可在此引发菌血症。然而,骨髓炎的感染并不只局限于髓腔内部,而是可能沿着髓腔向四周扩散,形成骨内或周围脓肿。当脓肿穿破皮质,便会在膜下或外部积聚,甚至可能扩展到邻近的关节间隙,导致化脓性关节炎的发生,尤其常见于干骺端位于囊内的情形。据统计,相邻化脓性关节炎与骨髓炎的发生率高达33%[16]。

慢性骨髓炎的病程反复且持续,骨膜下的脓肿可再次蔓延,对局部组织造成严重的侵袭和破坏。在晚期,常导致皮肤穿破,形成脓性瘘管和窦道,这是慢性骨髓炎患肢发生畸形和骨缺损概率极高的重要原因。在感染急性发作或机体免疫力极低时,感染灶还可能通过血源性途径扩散至肺及全身循环系统,引发严重的脓毒症休克,甚至危及生命。从微生物破坏机制来看,感染最初源于细菌在骨组织表面的黏附,随后释放的毒力因子和炎症反应导致局部骨质微结构破坏,进一步发展为组织坏死和骨小梁及骨基质的破坏。骨组织周围血供的受损产生缺血,最终促使感染骨质发生坏死[11, 17]。

3" 骨髓炎的难治原因及耐药性机制

慢性骨髓炎以其顽固性和持续性著称,成为医疗领域的一大挑战。在骨髓炎的病程演变中,早期诊断尤为关键,但遗憾的是,骨髓炎在发病早期(即急性期感染阶段)往往缺乏特异性的诊断标志[18]。一旦错过控制感染的最佳时机,病程可能在10 d内迅速进展为慢性。慢性骨髓炎的一个重要标志是死骨的形成,这些失去活性的小块骨头不仅构成了抗感染的物理屏障,更是内源性的生化感染源[17]。死骨在骨髓炎病程中扮演多重角色。他们阻碍抗生素有效渗透到病灶中心,并为细菌提供理想的附着点和生物膜形成的场所。细菌生物膜,作为定植在死骨或内植物表面的微型生物菌落,由多个浮游细菌共同构成,并由其分泌的细胞外基质所包裹。细胞外基质主要由多糖、蛋白质和核酸等营养物质构成,为细菌提供抵御宿主免疫细胞攻击的屏障[19]。研究[20]表明,当骨感染细菌超过24 h,细菌在局部即开始形成生物膜。生物膜不仅为细菌提供保护,还因其内部营养物质分布不均、有限的特点,迫使细菌适应并发生表型或基因型变化,降低代谢需求以维持生存[21]。这种低代谢状态使其能够持续释放到周围组织,引发慢性炎症和骨髓破坏[22]。另外,与植入物相关的骨髓炎直接为生物膜的定植提供理想的固定靶点,这部分患者形成生物膜的概率大大提高。生物膜内的细菌由于其独特的生存环境和生理特性,不易受到抗生素和内源性免疫反应的影响,从而延长骨髓炎的治疗周期[23]。相关研究[9]明确指出,生物膜的存在使病原菌对抗生素的抗性程度可高达100~1 000倍。细菌生物膜的形成在耐药性的产生和变异过程中扮演至关重要的角色[24]。此外,随着抗生素的滥用和多药耐药菌的出现,进一步加剧骨髓炎的耐药性。因此,面对慢性骨髓炎这一复杂而棘手的疾病,迫切需要找到能够有效遏抑耐药的治疗方法。

4" 骨髓炎的临床治疗进展

慢性骨髓炎的治疗方案涵盖抗感染治疗与手术干预,其治疗方案选择与血液学培养结果、患者所患其他疾病紧密相关。抗感染治疗为基石,以病原学培养指导特异性敏感抗生素的应用确保感染区域的有效抑菌浓度。青霉素、喹诺酮等抗生素的出现在一定时期给骨髓炎的治疗带来了曙光。通常,经验性治疗包括6~8周的抗生素治疗周期。在必要情况下,结合清创术及手术治疗,如截肢、植骨术等,以个体化应对病情,实现最佳的治疗效果[6, 25] 。

在探讨抗生素给药方式时,当前研究尚未提供确凿证据显示静脉注射在疗效上优于口服给药[26-27]。尽管如此,抗生素缓释装置在临床实践中仍广泛应用。其中,聚甲基丙烯酸甲酯作为局部抗生素递送的常用生物材料,虽有其应用价值,但须二次手术移除且复发感染率较高。近年来,一种新型的生物复合材料——纳米羟基磷灰石/胶原蛋白复合物,引起研究者的关注。这种材料不仅能释放高浓度抗生素,还具有诱导骨再生的潜力。该材料中的纳米颗粒不仅作为骨再生的支架,还作为局部药物递送系统和骨替代品,在骨髓炎治疗中展现出显著效果,特别是通过局部输送高浓度万古霉素抗击感染[28]。然而,随着慢性骨髓炎中耐药性和生物膜形成等问题的日益突出,如何有效控制感染已成为当前治疗骨髓炎所面临的重大挑战。Tomizawa等[22]研究揭示,在金黄色葡萄球菌生物膜完全覆盖植入物表面的情况下,传统抗生素疗法的效果甚微。一项纳入124例患者的前瞻性研究[29]显示,细菌生物膜的形成直接影响患肢的治疗效果和疗程。因此,有效清除生物膜成为确保抗感染治疗成功的核心。当前,机械剔除并局部抗生素渗透被视为一种有效的治疗手段。一款具有抗菌活性的生物玻璃材料在糖尿病足患者的骨移植物替代品方面展现出巨大潜力。通过局部清创后使用此材料覆盖,不仅能够填补骨缺损,还能有效抑制感染,并促进骨组织的修复[30]。此外,一种低频低强度超声联合声敏剂的新疗法——声抗微生物化疗,可用来缓解MRSA引起的急性骨髓炎。该方法基于声动力抗菌原理,研究结果显示具有显著的杀菌和抗细菌生物膜效果[31]。尽管这些新方法有很大的潜力,但其应用于临床还有待进一步的研究。此外,中医药内服和外治等治疗方法也在不断推进,但对于骨髓炎的治疗依然强调外科手术清创介入[32]。

慢性骨髓炎通常要行清创术治疗。这不仅是清除生物膜的有效治疗方式,也是治疗骨髓炎的基本原则。早在1984年,Cierny等[33]就强调彻底清除坏死感染骨组织的重要性,但长期以来,对于清创术的具体范围并无明确标准[34]。Parsons等[35]进一步揭示不彻底清创与术后感染频发紧密联系。当前,临床实践中推荐应用扩大式清创方式,在创面周围扩大至5 mm直至出现渗血现象,即所谓的“红辣椒征”,以此确保感染源的全面清除[36]。然而,这种根治性清创术虽能有效控制感染,却也带来严重的骨质缺损和深部残腔问题,为细菌滋生提供条件,使感染难以彻底控制。此外,骨缺损的修复也是治疗后期的一大难题。为解决这些问题,骨科领域的研究者们不断探索新的治疗方法。其中,牵拉成骨技术(Ilizarov方法)由Tetsworth等[37]应用于慢性感染性骨缺损患者的治疗中,通过渐进性纠正修复,放射学X线观察到促进了一定程度上的骨愈合。另一项值得关注的是Masquelet诱导膜技术,自首次应用以来,已在临床上积累了30多年的经验,为节段性骨缺损的重建提供了有效手段[38]。然而,这些技术背后的骨质修复机制仍需进一步探究。一些新兴的治疗方法也展现出巨大潜力。例如,Crisci等[39]采用富含白细胞和晚期血小板纤维蛋白膜促进糖尿病足溃疡性骨髓炎的创面愈合,这一方法为慢性骨髓炎的治疗提供了新的思路。然而,受限于样本量较小,该方法的疗效仍需进一步验证。

慢性骨髓炎作为一种难以控制的慢性感染性疾病,一直是骨科医生面临的困扰。其主要挑战集中在:感染的控制、骨质重建与修复。找到有效解决方法意味着可能实现对慢性骨髓炎的治愈,这也是当前外科领域正在进行研究的方向之一。光动力治疗(photodynamic therapy, PDT)作为一种化学治疗方法,具有不易产生耐药性的优势,且比外科手术侵入性小、不良反应少。目前已经在多种感染中展示其卓越优势。相关研究[40]还表明,低能量激光治疗具有良好的骨质促愈效果。

5" 光动力疗法治疗骨髓炎的研究进展

PDT为一种光辐照诱导局部微生物灭活的化学治疗方法,疗效主要基于光敏剂、组织氧浓度和光源三方面的因素相互配合[40]。不同于传统的抗菌药,PDT杀菌作用机制主要是通过特定波长的光照射,继而光敏剂吸收该波长的光能受到激发,产生活性氧分子参与细胞毒性反应,最终导致细菌的破坏[41]。这是一种新型的抗感染治疗方式,已在体内外实验中展现出抗耐药菌感染的巨大潜能。一项采用光敏剂甲苯胺蓝(toluidine blue O,TBO)与不同剂量的红光介导探讨PDT对成熟 MRSA生物膜的体外抑制作用实验表明,与对照组相比,经TBO-PDT处理后,生物膜的形态特征发生收缩、裂隙、碎裂和稀疏等变化。进一步的检测发现,经PDT处理后细菌的毒力受到抑制[42]。马金超等[43]通过建立兔慢性骨髓炎模型,清创后分别采用PDT与万古霉素聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥治疗,术后4周、8周、12周,进行大体观察、影像学检查及细菌培养观察其治疗疗效,结果表明,PDT作为一种新型的骨髓炎治疗方法,可有效控制感染而几乎不产生耐药性,极有希望缓解因抗生素的广泛耐药致现有治疗方案疗效不佳且并发症多的困境。Yin等[44]采用新型的阳离子光敏剂LD4联合庆大霉素对造模1周后的兔胫骨急性骨髓炎模型进行治疗。结果表明,在治疗5周后,光动力组及联合治疗组相较对照组及抗生素组在放射学及病理组织学表现均有明显的缓解(Plt;0.001),表明PDT联合使用抗感染的协同抗菌作用更为显著,进一步证明PDT治疗在促进骨质愈合,减轻骨缺损的潜在优势。Lu等[45]注意到,骨髓炎的早期诊断和有效治疗仍然是临床医生面临的具有挑战性的难题。该团队基于吲哚菁绿的光声成像和锰离子的磁共振成像,利用锰离子作为磁共振的T1增强对比剂,泛素作为光声成像的特异性显像剂,成功合成一种多功能剂,可特异性地结合到感染区域,在磁共振及超声的显像下及时准确地识别感染区域。此外,多功能剂中的二氧化锰还能与骨髓炎中类似肿瘤缺氧、酸化和高水平过氧化氢的局部微环境反应不断生成氧气以增强PDT的疗效。本次研究开拓了光敏剂在诊断和治疗领域协同应用的新途径,并为未来光敏剂药物合成提供了新思路。Xiu等[46]提出,在常氧条件下,生物膜中的兼性细菌大多数可以被抗生素有效地灭活。然而,在缺氧条件下,由于其厌氧代谢状态,生物膜中的细菌通常表现出耐药性。因此,通过联合透明质酸、光敏剂及甲硝唑,形成纳米颗粒制剂。激光照射下,光敏剂在常氧条件下杀死生物膜中的代谢活跃的表层细菌。随着反应进行,PDT对O2的消耗加重生物膜中的残余细菌缺氧,诱导细菌的厌氧代谢,进而还原激活甲硝唑并杀死生物膜中处于乏氧代谢的细菌。这种增强低氧微环境协同光动力疗法的方法为治疗生物膜相关感染提供了一条有效的旁路激活途径。

6" 光动力抗耐药性的未来展望

针对骨髓炎治疗所面临的抗耐药性难题,出现了许多治疗技术。而随着多种罕见细菌感染和超强耐药菌的出现,传统医疗卫生系统正面临新的抗感染挑战。过去的抗生素治疗模式受到巨大冲击,必须找到一种突破有限抗生素作用靶点的新型抗菌方法。光动力治疗具有天然防止耐药菌株产生并促进愈合的优势,因此被认为是潜在可行的选择。然而,光动力治疗也存在限制因素,如其穿透能力较弱,在深部组织感染中应用受到限制;同时光敏剂本身还具有暗毒性和代谢不明晰等特点。尽管目前光动力治疗慢性骨髓炎仍未成为成熟技术,但随着多种新技术相互融合发展,光动力抗菌效果不断改善。例如纳米颗粒提供了用于靶向输送光敏剂分子的平台载体,并增加了光敏剂在细胞内积聚和递送效果,在全身给药后使得光动力治疗效果倍增且毒性降低[47]。类似这样合成分子方面的相关学术探索正日益流行,并将指引未来发展方向。相信随着医学科学持续进步,光动力治疗法将成为预防和处理耐药菌感染情况的最佳选择之一。

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(责任编辑:高艳华)

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