生物標(biāo)志物在診斷假體周圍感染中的研究進(jìn)展

王仁偉，焦強(qiáng)，王北洋，胡宇奇，曹琳瑋

(山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院骨科，山西 太原 030001)

人工關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療晚期重度骨關(guān)節(jié)炎最理想的手術(shù)方式，能有效地提高骨關(guān)節(jié)炎患者的生活質(zhì)量，恢復(fù)其關(guān)節(jié)的功能。假體周圍感染(periprosthetic joint infection，PJI)是人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后最嚴(yán)重的并發(fā)癥，是導(dǎo)致關(guān)節(jié)翻修的主要原因之一[1]。隨著人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的數(shù)量逐年增多，PJI也越來越受到臨床醫(yī)生的關(guān)注。據(jù)報道，PJI的發(fā)生率在0.5%～2.0%之間[2]。然而，由于PJI的診斷缺乏“金標(biāo)準(zhǔn)”，以及目前沒有任何檢測的絕對準(zhǔn)確性，臨床醫(yī)生在診斷PJI上仍然充滿挑戰(zhàn)。所以，及時準(zhǔn)確地診斷PJI對保護(hù)植入的假體、預(yù)后，甚至降低發(fā)病率至關(guān)重要[3]。

2011年，肌肉骨骼感染學(xué)會(musculoskeletal infection society，MSIS)[4]公布了PJI的診斷標(biāo)準(zhǔn)，并在2013年國際共識會議(international consensus meeting，ICM)[5]上進(jìn)行了修訂，2018年P(guān)arvizi等[6]將MSIS及ICM制定的診斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了總結(jié)及歸納，公布了一個最新的診斷標(biāo)準(zhǔn)。雖然MSIS引入的診斷標(biāo)準(zhǔn)極大地提高了PJI的診斷，但許多診斷仍很困難。2018年修訂PJI新的診斷標(biāo)準(zhǔn)納入了幾個生物標(biāo)志物，與MSIS(79.3%)和國際共識會議定義(86.9%)相比，新標(biāo)準(zhǔn)顯示出更高的97.7%的敏感性，具有相似的99.5%的特異性[6]。這些生物標(biāo)志物包括滑液生物標(biāo)志物和血清生物標(biāo)志物等。滑液生物標(biāo)志物如白細(xì)胞酯酶、α-防御素、Toll-Like受體、滑液C反應(yīng)蛋白(C-reactive protein，CRP)等，血清生物標(biāo)志物如紅細(xì)胞沉降率(erythrocyte sedimentation rate，ESR)、D-二聚體、CRP、降鈣素原(procalcitonin，PCT)、白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-6等。這些生物標(biāo)志物通常是通過靜脈采血或關(guān)節(jié)穿刺術(shù)獲得。這些生物標(biāo)志物在過去幾年一直被用于研究PJI的診斷性能，但是仍沒有發(fā)現(xiàn)一個單獨(dú)的生物標(biāo)志物可以作為診斷PJI的金標(biāo)準(zhǔn)。

2018年P(guān)JI診斷新定義[6]，主要診斷標(biāo)準(zhǔn)：(1)關(guān)節(jié)感染部位至少2處獨(dú)立樣本中培養(yǎng)出同種病原體；(2)有竇道與假體部位相通或假體外露。符合2項標(biāo)準(zhǔn)中的1項診斷為感染。次要診斷標(biāo)準(zhǔn)：(1)術(shù)前診斷：①血清CRP>10 mg/L或血清D-二聚體>860 ng/mL(2分)，血清ESR>30 mm/h(1分)。②關(guān)節(jié)液：滑膜液白細(xì)胞>3 000個/μL或白細(xì)胞酯酶>++(3分)，滑膜液α-防御素(信號截止比)>1.0(3分)，滑膜液多形核白細(xì)胞%>80%(2分)，滑膜液CRP>6.9 mg/L(1分)。術(shù)前診斷評分結(jié)果≥6感染，2～5分可能感染，0～1分非感染。(2)術(shù)中診斷：術(shù)前診斷評分結(jié)果，假體周圍組織炎癥(每高倍鏡≥5粒細(xì)胞)(3分)，假體周圍組織化膿(3分)，假體周圍組織單純培養(yǎng)陽性(2分)。術(shù)中診斷評分結(jié)果≥6分感染，4～5分可能感染，≤3分非感染。

本文基于2018年新診斷標(biāo)準(zhǔn)收集和總結(jié)了用于診斷PJI的生物標(biāo)志物，并就血清、滑液生物標(biāo)志物、其他新研究在PJI的診斷研究進(jìn)展予以綜述，為PJI在臨床上的診斷提供新思路。

1 血清生物標(biāo)志物

血清生物標(biāo)志物相對于滑液生物標(biāo)志物更方便、快捷，它通過人體靜脈穿刺血液而檢測獲得。臨床上常用血清CRP、ESR來反應(yīng)機(jī)體整體的感染狀況，其他較少使用的血清標(biāo)志物如降鈣素原、IL-6、細(xì)胞間黏附分子-1、趨化因子配體2等也可通過與患者臨床表現(xiàn)相結(jié)合，幫助臨床醫(yī)生診斷PJI。

1.1 血清CRP和ESR CRP是肝細(xì)胞合成的急性相蛋白，當(dāng)機(jī)體受到細(xì)菌或組織損傷等炎癥性刺激時產(chǎn)生。CRP通過激活補(bǔ)體和加強(qiáng)吞噬細(xì)胞的吞噬作用，清除入侵機(jī)體的病原體和受損的組織細(xì)胞，在機(jī)體的天然免疫過程中發(fā)揮重要的保護(hù)作用。ESR是血細(xì)胞在血液中的沉降速率，通常情況下ESR在炎癥狀態(tài)下沉降速率會加快。據(jù)報道ESR的敏感度和特異度分別為42%～94%和33%～87%，而CRP的敏感度和特異度分別為74%～94%和20%～100%[7-8]。然而，ESR和CRP很容易受患者本體因素影響，如使用抗生素、皮質(zhì)類固醇激素或癌癥相關(guān)疾病、近期侵入性手術(shù)及風(fēng)濕類疾病等，這些都會導(dǎo)致ESR和CRP的值發(fā)生改變從而影響診斷。McArthur等[9]調(diào)查了髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后PJI血清陰性的病例，研究結(jié)果提示ESR和CRP聯(lián)合可以顯著提高診斷準(zhǔn)確率。使用臨界值為30mm/h的ESR及10 mg/L濃度的CRP時，對疑似感染關(guān)節(jié)置換術(shù)的敏感度分別為94.3%和91.1%。當(dāng)兩者都升高時，特異性的閾值提高到93%。但對于2018年新診斷標(biāo)準(zhǔn)，Bingham等[10]研究發(fā)現(xiàn)敏感性≥95%的ESR和CRP臨界值分別為10 mm/h、5 mg/L，綜合ESR及CRP臨界值為10 mm/h和5 mg/L的敏感性和特異性為100%(95% CI：94.1～100)和54.7%(95% CI：46.4～62.3)，提示和2018年新標(biāo)準(zhǔn)中ESR和CRP的臨界值相比，應(yīng)該進(jìn)一步降低臨界值，減少對PJI的誤診率。綜上所述，CRP及ESR作為單獨(dú)診斷PJI時可信度較低，應(yīng)與其他生物標(biāo)志物聯(lián)合診斷以提高其診斷性能，同時應(yīng)考慮較MSIS標(biāo)準(zhǔn)低臨界值的檢測結(jié)果，避免出現(xiàn)PJI的漏診。

1.2 血清IL-6 血清IL-6作為一種新型的檢測指標(biāo)，在診斷PJI中顯示了良好的應(yīng)用前景。IL-6在機(jī)體感染和組織損傷時迅速產(chǎn)生，通過刺激急性期反應(yīng)、造血和免疫反應(yīng)促進(jìn)宿主防御[11]。IL-6在急性炎癥反應(yīng)中處于中心地位，誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生CRP和PCT，與炎癥疾病及感染程度直接相關(guān)。Elgeidi等[11]研究發(fā)現(xiàn)與ESR、CRP相比，IL-6是診斷PJI最準(zhǔn)確的實驗室標(biāo)志物。當(dāng)IL-6>10.4 pg/mL和CRP>18 mg/L時，將識別所有PJI患者，其CRP+IL-6的組合診斷的敏感性和陰性預(yù)期值均為100%。Randau等[12]從PJI、無菌性松動和對照組三組中來研究IL-6的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PJI組IL-6水平明顯高于無菌松動組和對照組，以2.6 pg/mL為臨界值，特異性和敏感性分別為58.3%、79.5%。Qin等[13]研究確定血清IL-6和滑液IL-6的組合具有進(jìn)一步改善PJI診斷的潛力，可使診斷慢性PJI的準(zhǔn)確率提高了96.77%。綜上所述，IL-6在PJI診斷中的作用越來越大，將其與其他的生物指標(biāo)物相結(jié)合，能顯著提高PJI的診斷率。

1.3 D-二聚體 D-二聚體是纖維蛋白凝塊纖維蛋白溶解形成的纖維蛋白降解產(chǎn)物，反映血液凝固狀態(tài)，在全身或局部感染、血栓形成和腫瘤疾病中增加。Shahi等[14]最早發(fā)現(xiàn)血清D-二聚體水平在確定PJI方面有很好的表現(xiàn)，敏感性為89%，特異性為93%。Li等[15]研究推測PJI患者中的D-二聚體可能是一種晚期診斷的生物標(biāo)志物。但也有研究發(fā)現(xiàn)D-二聚體在診斷假體周圍感染方面作用有限。Pannu等[16]認(rèn)為D-二聚體在鑒別PJI和無菌松脫時的準(zhǔn)確性較差(61.0%)，特異性較低(32.3%)。Xiong等[17]認(rèn)為D-二聚體的診斷效率不高于CRP和ESR。Li等[18]的相關(guān)meta分析結(jié)果顯示D-二聚體對PJI的診斷敏感性和特異性較低，并認(rèn)為血清D-二聚體比血漿D-二聚體對PJI有更好的診斷價值。綜上所述，D-二聚體在ICM和MSIS標(biāo)準(zhǔn)[6]的敏感性分別為86.9%和79.3%。就目前研究發(fā)現(xiàn)D-二聚體的診斷價值仍存在爭議，但可以將其作為診斷PJI的一種很有前途的血清學(xué)標(biāo)志物，可以與其他標(biāo)志物結(jié)合使用或作為其他診斷方法的輔助手段，以提高PJI的診斷性能。

1.4 血清脂多糖結(jié)合蛋白、可溶性尿激酶型纖溶酶原激活劑受體 血清脂多糖結(jié)合蛋白是存在于正常人和動物血清中一種糖蛋白，其對細(xì)菌內(nèi)毒素，即脂多糖中的類脂體A具有高度親和性，易與脂多糖結(jié)合，是介導(dǎo)炎癥反應(yīng)和抗炎反應(yīng)的首要環(huán)節(jié)。可溶性尿激酶型纖溶酶原激活劑受體是一種對全身信息和感染作出反應(yīng)而分泌到血清中的糖蛋白。Friedrich等[19]將PJI組與無菌松動組比較發(fā)現(xiàn)，脂多糖結(jié)合蛋白在PJI中顯示出明顯較高的數(shù)值，當(dāng)臨界值>7 ng/mL時，特異性和敏感性分別為66%、71%，與CRP結(jié)合PJI的陽性預(yù)測值為0.67，兩者都為陰性預(yù)測值為0.77。這說明PJI患者的血清脂多糖結(jié)合蛋白水平升高，但并不比血清CRP更能準(zhǔn)確的診斷PJI。Ni等[20]研究報道血清可溶性尿激酶型纖溶酶原激活劑受體可能是診斷和預(yù)后細(xì)菌感染的生物標(biāo)志物，但它對區(qū)分膿毒癥和全身炎癥反應(yīng)綜合征相對無效。一項研究結(jié)果[21]發(fā)現(xiàn)，PJI患者的血清可溶性尿激酶型纖溶酶原激活劑受體顯著增加，并且與CRP、IL-6、IL-1和腫瘤壞死因子-α以及趨化因子配體2呈顯著正相關(guān)。該研究清楚地表明了可溶性尿激酶型纖溶酶原激活劑受體與常規(guī)炎癥參數(shù)(如CRP)在PJI診斷中的診斷潛力。目前這兩種生物標(biāo)志物的研究仍處于起步階段，需要進(jìn)一步的臨床研究來驗證作為PJI的潛在診斷生物標(biāo)志物。

1.5 細(xì)胞間黏附分子-1 細(xì)胞間黏附分子-1又稱為CD54，其作用是增強(qiáng)白細(xì)胞、炎癥細(xì)胞等內(nèi)皮細(xì)胞間的黏附作用，參與炎癥反應(yīng)及免疫應(yīng)答等病理過程。Worthington等[22]通過對比無菌性松動的患者，發(fā)現(xiàn)PJI患者的血清細(xì)胞間黏附分子-1水平明顯升高(P<0.001)。Drago等[23]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞間黏附分子-1與CRP在PJI的患者中成線性增長關(guān)系。這些研究均說明血清細(xì)胞間黏附分子-1可以作為PJI患者的診斷預(yù)測生物標(biāo)志物，但它們的真實臨界值和動力學(xué)仍未確定，需要進(jìn)一步研究。

1.6 趨化因子配體2 趨化因子配體2是屬于CC趨化因子家族的一種單體蛋白，由單核/巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞產(chǎn)生。由基質(zhì)金屬蛋白酶-12執(zhí)行，趨化因子配體2變得活躍，并開始招募單核細(xì)胞、記憶T細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞到炎癥部位[21]。Galliera等[21]研究發(fā)現(xiàn)與對照組患者相比，受PJI患者的趨化因子配體2值顯著升高。Marazzi等[3]證實了與假體無菌松動患者相比，PJI患者趨化因子配體2水平顯著升高，受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線分析也顯示出趨化因子配體2對PJI有較好的診斷價值。綜上所述，趨化因子配體2在診斷PJI中是一個很有潛力的生物標(biāo)志物，但是文獻(xiàn)中對趨化因子配體2的研究相對較少，需要大量進(jìn)一步研究驗證其診斷作用。

2 滑液生物標(biāo)志物

滑液生物標(biāo)志物一般是直接通過關(guān)節(jié)穿刺或者關(guān)節(jié)手術(shù)獲得，滑液是原發(fā)感染部位，理論上應(yīng)比血清更具敏感。診斷PJI最常用的滑液標(biāo)志物有滑液C反應(yīng)蛋白、白細(xì)胞酯酶、滑液IL-6、α-防御素等。Saleh等[24]通過meta分析表明它們在PJI中都有很高的診斷效用。Lee等[25]也基于滑液生物標(biāo)志物進(jìn)行meta分析，結(jié)果提示滑液白細(xì)胞計數(shù)、多形核白細(xì)胞%、滑液CRP、α-防御素、白細(xì)胞脂酶、滑液IL-6和IL-8均顯示出診斷PJI的高靈敏度，其中α-防御素是最佳滑液生物標(biāo)志物。

2.1 白細(xì)胞脂酶 白細(xì)胞脂酶是人體白細(xì)胞內(nèi)含有的一種特異性酶類，當(dāng)人體發(fā)生炎癥反應(yīng)時，多形核白細(xì)胞的趨化性在炎性病灶聚集而大量釋放白細(xì)胞脂酶，白細(xì)胞脂酶只存在于中性粒細(xì)胞中。臨床上通過白細(xì)胞脂酶試紙比色反應(yīng)檢測獲得，其中++、+++被定義為陽性，+為陰性[26]。Di等[26]研究表明，白細(xì)胞脂酶測試診斷PJI的敏感性和特異性分別為81%和97%，其具有良好的術(shù)中診斷準(zhǔn)確性，尤其是在陰性結(jié)果的情況下，它能夠排除PJI的假設(shè)。Li等[27]通過meta分析白細(xì)胞脂酶在PJI患者中的診斷性能，其結(jié)果提示白細(xì)胞脂酶是有價值的滑液標(biāo)志物，可用于識別具有相當(dāng)高診斷準(zhǔn)確性的PJI。綜上所述，白細(xì)胞脂酶是一個很有價值的滑液標(biāo)志物，且較其他檢測指標(biāo)費(fèi)用低廉、簡便，當(dāng)臨床醫(yī)生在懷疑診斷PJI時，可考慮結(jié)合白細(xì)胞脂酶檢測以提高診斷率。

2.2 α-防御素 α-防御素是一種富含半胱氨酸的抗菌肽，存在于體內(nèi)多種類型的細(xì)胞中。作為對病原體入侵的先天免疫反應(yīng)，激活的中性粒細(xì)胞可以釋放α-防御素發(fā)揮抗菌活性。一項基因組研究表明，α-防御素的表達(dá)和釋放是中性粒細(xì)胞對感染性關(guān)節(jié)炎的特異性反應(yīng)，不受非感染性炎癥(如急性痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎)的影響[28]。這表明α-防御素有可能成為檢測PJI的準(zhǔn)確指標(biāo)。Deirmengian等[29]研究結(jié)果表明，α-防御素檢測不受既往抗生素治療的影響。Lee等[25]通過各個滑液生物標(biāo)志物對PJI診斷性能的meta分析，結(jié)果提示α-防御素是最佳的滑液生物標(biāo)志物。一項新的前瞻性研究[30]結(jié)果顯示，α-防御素側(cè)流試驗的敏感性和特異性為98.5%和98.2%，其證明了α-防御素側(cè)流試驗在PJI中的可靠診斷性能。總之，α-防御素是目前滑液生物標(biāo)志物中的一個具有極高診斷價值的標(biāo)志物，當(dāng)滑液α-防御素指標(biāo)(信號截止比)>1.0時，應(yīng)高度懷疑PJI。

2.3 滑液CRP 滑液CRP是機(jī)體受到炎癥性刺激時肝細(xì)胞合成的急性相蛋白，可以增強(qiáng)補(bǔ)體的激活和吞噬作用。滑液CRP可直接通過原發(fā)感染部位關(guān)節(jié)穿刺獲得，相對于血清CRP應(yīng)具有較高的敏感性。Wang等[31]meta分析結(jié)果顯示，滑液CRP對PJI的診斷敏感性和特異性分別為0.92%和0.90%，提示滑液CRP是診斷PJI的良好生物標(biāo)志物。Praz等[32]通過前瞻性病例對照研究表明，在診斷髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)PJI時，滑膜CRP檢測并不比血清CRP更具鑒別力。血清CRP水平>9 mg/L是PJI的標(biāo)志，這與原發(fā)感染部位獲得的滑液CRP具有更高的敏感性猜測相反。Gallo等[33]也通過臨床研究表明血清/滑膜IL-6與滑膜CRP同時陽性幾乎可以排除PJI的假陰性檢測。以上說明滑液CRP具有良好的診斷PJI性能，臨床上可結(jié)合其他標(biāo)志物輔助診斷PJI。

2.4 Toll樣受體(Toll-like receptors，TLR) TLR是抵御入侵病原體的第一道防線，通過識別入侵細(xì)菌并激活旨在消除病原體和修復(fù)受損組織的炎癥反應(yīng)。在TLR中，TLR-2和TLR-4分別識別廣譜的革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌，并誘導(dǎo)主要的炎癥反應(yīng)。PJI患者致病菌大多為革蘭氏陽性菌為主[34]。Galliera等[35]通過研究TLR-2在PJI的診斷性能，其結(jié)果顯示在PJI患者中TLR-2與IL-6均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的正相關(guān)，在PJI中TLR-2參與了對革蘭氏陽性菌的識別和反應(yīng)，證實了TLR-2在PJI檢測中的重要性。Cipriano等[36]通過送檢翻修術(shù)中PJI患者的假體周圍組織樣本進(jìn)行TLR-1和TLR-6分析，結(jié)果表明TLR-1和TLR-6診斷PJI的最佳閾值分別為是0.0924和0.0215，提示TLR-1表達(dá)可較準(zhǔn)確地預(yù)測PJI。相對于其他生物標(biāo)志物，TLR檢測為術(shù)中取樣檢測，一般在臨床上很少用于檢測PJI，但TLR測量可能會特別有助于檢測培養(yǎng)陰性的感染和避免由污染導(dǎo)致的假陽性。

3 用于PJI診斷的新研究

下一代測序(next generation sequencing，NGS)是一種新興的微生物診斷方法，可以同時檢測樣本中存在的所有核酸，包括來自宿主的核酸。Yin等[37]研究通過對比NGS、細(xì)菌培養(yǎng)和血清生物標(biāo)志物在PJI中的診斷價值發(fā)現(xiàn)，NGS診斷PJI的敏感性(93.3%)明顯高于細(xì)菌培養(yǎng)(47.0%)；此外，NGS對培養(yǎng)陰性的病例顯示出更高的陽性診斷率(87.5%)。這表明NGS比細(xì)菌培養(yǎng)方法和常用的血清學(xué)生物標(biāo)志物具有更高的準(zhǔn)確性和靈敏度，因此其檢測PJI的診斷價值相對更高。

Tirumala等[38]通過研究血小板/平均血小板體積比值(platelet/mean platelet volume ratio，PVR)、血小板/淋巴細(xì)胞比值(platelet/lymphocyte ratio，PLR)在PJI患者中的診斷作用，其研究結(jié)果表明PVR和PLR易于從全血細(xì)胞計數(shù)中獲得且價格低廉，當(dāng)與血清和滑液標(biāo)志物結(jié)合使用時其敏感性和特異性與α-防御素相當(dāng)。Wang等[39]研究白蛋白、球蛋白、白蛋白與球蛋白比率在PJI患者中的診斷作用，其發(fā)現(xiàn)與無菌患者相比，PJI患者的球蛋白水平顯著升高(P<0.01)，而白蛋白和白蛋白與球蛋白比率水平顯著降低(P<0.01)，提示球蛋白、白蛋白與球蛋白比率在診斷PJI上是有潛力的生物標(biāo)志物。綜上所述，PVR、PLR、球蛋白、白蛋白與球蛋白比率都顯示了其在診斷PJI中的作用，但是研究相對較少，仍需要進(jìn)一步大樣本量證實其在PJI中的診斷作用。

4 總結(jié)及展望

雖然已經(jīng)加強(qiáng)了關(guān)節(jié)置換術(shù)中及術(shù)后患者的管理，但遺憾的是PJI仍可能會發(fā)生。隨著實驗室檢測技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的實驗室指標(biāo)將可用于PJI的診斷。本綜述通過總結(jié)了近些年來用于診斷PJI的生物標(biāo)志物，分別闡述了其在PJI診斷中的敏感度和特異性，旨在為臨床醫(yī)生確診PJI提供參考輔助指標(biāo)。目前診斷PJI的“金標(biāo)準(zhǔn)”生物標(biāo)志物仍然未發(fā)現(xiàn)，在診斷PJI患者時，尤其是細(xì)菌培養(yǎng)陰性的患者，必須依靠臨床表現(xiàn)、體格檢查結(jié)果，靈活應(yīng)用其生物標(biāo)志物，在不同情況下去選擇最合適的檢驗。2018年新診斷標(biāo)準(zhǔn)將白細(xì)胞酯酶、α-防御素、滑膜CRP以及血清D-二聚體、ESR和CRP納入一個綜合評分系統(tǒng)用來診斷PJI，這為目前PJI的診斷提供了一個可靠的指南，隨著新技術(shù)的發(fā)展及研究，相信未來可能會有其他更為準(zhǔn)確的生物標(biāo)志物加入這個列表。同時，未來仍有很多生物標(biāo)志物需要臨床的大規(guī)模前瞻性的多中心隨機(jī)對照研究來證實其在PJI中的診斷性能。