骨科植入物表面細菌生物膜感染的預防和治療進展

翟驍，何帆，趙檢，邵杰，趙云飛，趙穎川，倪海鍵，朱曉東，白玉樹，陳自強，李明

(第二軍醫大學長海醫院骨科，上?！?00433)

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骨科植入物表面細菌生物膜感染的預防和治療進展

翟驍，何帆*，趙檢，邵杰，趙云飛，趙穎川，倪海鍵，朱曉東，白玉樹，陳自強*，李明*

(第二軍醫大學長海醫院骨科，上海200433)

骨科醫用植入物在臨床上得到了廣泛應用，然而，植入物植入術后感染是骨科手術的災難性并發癥，植入物周圍細菌生物膜形成是造成感染治療困難的主要原因。目前常用治療方法效果欠佳，清創術后是否保留內固定一直以來也是爭論的熱點。另外更換新的植入物費用昂貴，給社會和家庭帶來了巨大經濟負擔。近年來，隨著學科交叉的深入發展，新技術不斷涌現，包括植入物新材料、抗生物膜制劑、生物疫苗、電刺激法、激光沖擊波法和超聲法等，在動物和細胞實驗中證明可有效預防和治療植入物表面細菌生物膜感染，給患者和醫生帶來福音。進一步創新方法的研究和臨床應用，將成為醫學研究的熱點。

醫用植入物在骨科臨床的應用廣泛，骨科醫用植入物的使用給骨關節炎、骨折和脊柱畸形等疾病的治療帶來了新方法。然而，隨之而來的則是骨科植入物表面的細菌生物膜感染的日益增多，由于處理起來相當棘手，成為困擾骨科醫師的重要問題。目前，尚無非常有效的無創性生物膜破壞技術，主要依靠清創手術，抗生素治療，甚至取出移植物，感染控制后再重新安裝。這些方法增加了患者的痛苦，且費用昂貴、周期較長，給家庭和社會帶來了較大負擔。本綜述回顧近年文獻，總結了預防和治療骨科植入物表面細菌生物膜感染的新技術。

1骨科植入物術后感染及治療現狀

骨科植入術后感染是較為嚴重和復雜的手術并發癥。據統計，每年美國有約百萬例關節置換手術[1]，到2030年，預計將超過四百萬例[2]。關節置換術的術后感染以術后2年內多見，感染率約2%[3-5]。一期和二期翻修清創術是較有效的方法，清創成功率分別約為80%和90%[6-8]。30 d內的早期感染，通過廣泛清創，若確認無竇道形成，可以保留植入物[9]。研究表明，早期清創聯合長程抗生素治療，控制感染的成功率可達71%[10-11]。最后，取出植入物一般作為最終治療方案[8]。目前，取出植入物的治療方案成本較高[12]，美國的人工關節感染的治療每例耗費超過5萬美元[13]，而我國雖無這方面統計，但費用總量估計也很高。因此，研究預防和治療植入物周圍感染十分重要，而其中細菌生物膜的形成是感染治療效果不理想的主要原因。

2細菌生物膜結構和耐藥性

細菌生物膜是附著于相關物體表面，由細菌細胞和其分泌的胞外多糖物質包繞組成的膜物質[14]。生物膜依靠細菌表面結構黏附在骨科植入物表面，如鞭毛、菌毛和糖萼等[15]。此外，表面張力、疏水性和靜電引力等也與生物膜粘附力相關。生物膜較容易在粗糙的疏水性表面生長聚集[16]，厚度可達100 mm[3]。

由于植入物表面血供較少，缺乏營養物質，細菌生物膜往往呈持續性緩慢生長，耐藥性往往更高。與單細菌細胞相比，細菌生物膜耐藥性可增加1 000倍[3]。骨科植入物表面的細菌生物膜可由單種或多種細菌組成，包括金黃色葡萄球菌、凝固酶陰性葡萄球菌、乙型溶血性鏈球菌以及需氧革蘭氏陰性桿菌(包括銅綠假單胞菌)等[5]?？股鬲毩⒅委熒锬ばЧ^差，并且治療效果與生物膜形成的時間密切相關[14]。研究表明，在生物膜形成1周內，妥布霉素和哌拉西林抗菌效果良好，但1周后生物膜耐藥性明顯增加[14]。另外，獨立使用抗生素的治療也可能會增加細菌耐藥性。有研究表明，抗生素使用不當可能還促進生物膜的繁殖[4，17]。

3細菌生物膜感染的預防和治療技術

3.1植入物新材料植入物材料的改進可預防生物膜感染的形成，骨科植入物所用合金的種類一直是研究的熱點。葡萄球菌在不同合金表面黏附和繁殖能力不同，鈦合金表面細菌繁殖能力較弱，因為鈦合金可以使細菌分散在植入物表面，增加了接觸抗生素的面積[18]。鈦合金去除釩成分后，可明顯減少細菌粘附和生物膜的形成[19]。此外，使用納米結構的生物材料，可通過改變植入物表面結構，改變表面電荷和附著面積等功能，使細菌難以附著[20-22]。

3.2抗生物膜制劑目前抗生物膜制劑研究較熱，Campoccia等[20]詳細綜述了抗生物膜的試劑種類。通常，抗生物膜制劑，如聚乙烯氧化物[23]等，通過利用親水性、高度水合和陰離子表面等特點，從而排斥細菌，減少黏附[20]。相反，也有一些疏水性和陽離子表面的制劑用于植入物表面時，可促進感染條件下的骨愈合[24]。Shirai等[25]采用碘涂層的鈦植入物，在21 例惡性骨腫瘤或化膿性關節炎患者中預防性使用，僅1 例患者發生銅綠假單胞菌感染，經靜脈注射抗生素治療好轉，未取出植入物。

生物活性的抗菌涂層可在植入物表面發揮抗菌作用。其中，人b-defensin-3抗菌肽較為常用。研究表明，人類b-defensin-3抗菌肽可明顯減少鈦合金表面的細菌菌落數量，并可有效對抗耐藥菌，如耐甲氧西林表皮葡萄球菌(methicillin resistant staphylococcus epidermidis，MRSE)和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin resistant staphylococcus aureus，MRSA)等[26-27]。另一種生物活性抗菌涂料，如含二醇二氮烯翁聚合物涂層[20]可通過釋放一氧化氮，結合過氧化物，產生過氧亞硝酸鹽，對細菌發揮非常的細胞毒性作用[20]。同樣，活性氧釋放涂層，如過氧化鈣的聚己內酯[20]等，可通過氧自由基殺菌，但對周圍組織也有一定毒性[28]。光敏生物活性材料，如銳鈦礦型TiO2，在385 nm波長的紫外光的照射下可以激活，發揮殺菌作用[20]。

具有抗菌性質的非抗生素類化合物，如金屬銀和銅等，可以通過自身腐蝕性，釋放金屬離子，破壞細菌的呼吸鏈，發揮抗菌作用[20]。這些金屬在骨科植入物的表面形成離子膜，防止細菌粘附。

3.3生物疫苗目前針對常見細菌，也有一些學者在研究相關疫苗。疫苗從細菌表面提取了多糖或蛋白質，注射后機體可產生防止生物膜形成的免疫球蛋白[21]。由于金黃色葡萄球菌容易產生耐藥性，相關疫苗的研究成功率較小[29]。例如Staph VAX疫苗雖然通過了Ⅲ期臨床試驗，但是第一年有效率即減少至30%，最終導致撤回[30]。最近開發的四價疫苗，從細菌氨基葡萄糖苷酶(即ABC轉運蛋白，一種保守蛋白和保守脂蛋白)中提取，與抗生素聯用后，可以清除87.5%的細菌生物膜感染[31]。

噬菌體是一種可以破壞細菌的病毒，對植入物表面的生物膜可能有效。研究發現，骨科植入物周圍感染MRSA和銅綠假單胞菌的大鼠，使用噬菌體可有效增強抗生素的抗菌效果[32]。

生物活性酶可通過溶解生物膜成分，導致生物膜的破壞。例如，分散蛋白(dispersin，Dsp)B可通過溶解聚合物或蛋白酶K，裂解生物膜的結構，增強抗生素對細菌的作用[20]。一些細胞毒性藥物，如檸檬酸，也可以去除鈦合金植入物表面的生物膜[33]。

3.4電刺激法電刺激在骨科植入物抗感染方面的應用是較新的研究方向。研究表明，當感染金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌不銹鋼植入物上施加電流時，可以減少生物膜的粘附[34]。對于關節置換術后耐甲氧西林生物膜感染的大鼠，對鈦合金植入物表面給予電流刺激，可明顯減少生物膜粘附，并且與材料導電性和電壓大小相關[35]。對于脊柱手術后生物膜感染的兔子進行電流刺激，也可使生物膜和植入物分離[36]。

3.5激光沖擊波法利用激光產生的沖擊波，可通過機械能破壞生物膜[37]。研究發現，鎳鈦合金支架表面形成銅綠假單胞菌生物被膜后，使用4～10 s激光沖擊波，即可消除97.9%的生物膜[38]。激光產生的沖擊波能破壞生物膜，分離成單個細菌，使抗生素治療更加有效[38]。

3.6超聲波法超聲作用于生物組織可產生生物效應。研究表明，超聲與抗生素聯用，可提高其抗生物膜活性[39]。近年來，超聲微泡技術的應用增強了超聲的空化作用，可通過激活人類b-defensin-3抗菌肽從而破壞生物膜[40]。同時，超聲靶向輻照下破壞攜帶藥物的微泡，可以達到靶向治療的目的[41]。

4總結與展望

隨著骨科植入物感染的發病率和治療成本的增加，單純依靠抗生素或手術清創的治療方法已不能滿足臨床要求。由于細菌生物膜的毒性和耐藥性增加，既往的治療方法效果不容樂觀。隨著學科交叉的深入和新技術的出現，促進了細菌生物膜預防和治療技術領域的研究進展。目前，新技術的研究多為動物學和細胞學研究，具體臨床效果仍待進一步探索。隨著新技術不斷出現和改進，創新的無創性細菌生物膜破壞療法將成為醫學研究的熱點。

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作者簡介：翟驍(1990- )，男，研究生在讀，第二軍醫大學長海醫院骨科，200433。

收稿日期：2015-10-21

中圖分類號：R318.08

文獻標識碼：A

基金項目：國家自然科學基金(81101396)，上海市衛生計生委課題(12411950800)，上海市科委課題(15ZR1412700)，第二軍醫大學校級課題(2014QN15)；*本文共同第一作者：何帆；*本文通訊作者：陳自強，李明

文章編號：1008-5572(2016)04-0336-04