人工關節假體周圍感染診斷生物標志物研究進展

魯啟源 盧建華

（1.浙江中醫藥大學第一臨床醫學院，浙江 杭州 310053；2.浙江省中醫院，浙江 杭州 310006）

人工關節置換術是一項重大的醫學進步，能夠減輕患者的疼痛、恢復活動能力，并提高生活質量。然而，人工關節置換術后關節假體周圍感染（periprosthetic joint infection，PJI）的發生率在初次手術中達2%～4%，翻修時則接近20%[1]，是一種嚴重損害患者健康和增加社會經濟負擔的并發癥，所造成的經濟成本比初次關節置換高4倍[2]，造成多次手術干預、延長住院時間和較高的并發癥發生率等不良后果。準確、及時診斷PJI對假體植入手術至關重要，它不僅決定了治療策略，還影響著人工關節置換術的臨床療效。

臨床一般通過詳細詢問病史和進行相關檢查對PJI進行初步診斷。早期（＜3個月）和延遲/晚期（3～24個月）PJI的臨床癥狀不明顯，輕度感染和術后早期感染難以及時被發現。不同機構或組織建議的PJI感染判斷標準不同，大多數研究目前使用的是肌肉與骨骼感染協會（the Musculoskeletal Infection Society，MSIS）定義的標準[3]。

2018年，MSIS推出了基于評分的新標準[4]，但該標準尚未在更大范圍內得到驗證，所以最新的《中國PJI診斷和治療指南》[5]仍推薦將MSIS 2012年的標準作為PJI目前的診斷標準。不同的生物標志物在診斷PJI方面有不同的效能，如何取舍是一個難題。本文選取了臨床常用和最新的生物標志物，介紹其在診斷PJI中的研究進展和不同的選取條件。

1 PJI診斷生物標志物及其檢測技術

C反應蛋白（C-reactive protein，CRP）和紅細胞沉降率（erythrocyte sedimentation rate，ESR）是目前診斷PJI的首選生物標志物[3]。白細胞介素（interleukin，IL）6、α-防御素1（alphadefensin 1，DEFA1）、可溶性細胞黏附分子1（soluble intercellular adhesion molecule-1，sICAM-1）和短鏈胞外脂磷壁酸（short-chain extracellular lipoteichoic acid，sce-LTA）IgG可以作為PJI診斷的補充指標。白細胞酯酶（leukocyte esterase，LE）因檢測耗時短被廣泛用于術中，但受到關節液條件的嚴格限制。DEFA1-IL-1B-乳鐵傳遞蛋白（lactotransferrin，LTF）超快基因分析則沒有相關限制，可作為手術中關節液被污染時LE檢測的替代指標。D-乳酸和腺苷脫氨酶（adenosine deaminase，ADA）因成本低和檢測快速的優點，在基層醫療機構得到廣泛應用。滑膜液中性粒細胞CD64指數（neutrophil CD64 index，nCD64I）和滑膜液中部分可溶性免疫調節物在分子層面上為PJI的診斷提供了新的方向。全轉錄組高密度微陣列分析有利于確定新的PJI診斷生物標志物，并幫助臨床進一步了解PJI的分子病理生理學特性。

1.1 血清和滑膜液CRP、ESR檢測

CRP和ESR是使用最廣泛的血清標志物，檢測時間短、侵入性小，易于獲取。CRP診斷PJI的敏感性和特異性分別為74%～95%和20%～100%[5]。PAJIUK等[6]在對4 939名參與者的研究中發現，血清CRP診斷PJI的敏感性為87.5%[6]。有學者建議將血清CRP＞93 mg/L作為執行關節液抽吸的最佳臨界值[1]。ESR診斷PJI的敏感性和特異性分別為42%～94%和33%～87%[7]。ESR和CRP升高也可見于糖尿病、終末期腎功能衰竭、慢性心力衰竭、貧血和肥胖等非感染性疾病和妊娠期女性，因此不能僅僅依靠這2個指標來診斷PJI，可將其用作PJI臨床診斷的輔助指標。CRP單獨檢測判斷PJI的假陰性率較高，特別是在低毒力的病原體引起的低級別感染中[8]。當按物種對致病微生物進行分級時，由丙酸桿菌屬（Propionibacterium）、凝固酶陰性葡萄球菌（coagulase-negativeStaphylococcus）和糞腸球菌（Enterococcusfaecalis）引起的感染，患者血清CRP水平顯著低于由金黃色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）和鏈球菌（Streptococcus）引起的感染。與急性血源性感染相比，慢性PJI患者血清CRP水平相對較低[8]。

機體受到炎癥刺激時，CRP和ESR水平均會不同程度升高[9]。CRP通常在手術后第2天迅速升高，并在術后第21天恢復到正常水平；而ESR在術后第5天達到峰值，在術后3個月下降到接近術前。最近一項研究推薦以ESR＞30 mm/h和CRP＞10 mg/L[10]作為診斷PJI的最佳臨界值。值得注意的是，是否患有原發性炎性關節病（包括系統性紅斑狼瘡、類風濕性關節炎和痛風）對確定CRP診斷PJI的最佳臨界值無影響。

滑膜液CRP診斷PJI的價值高于血清CRP。當滑膜液CRP水平低于2.78 mg/L時，可排除PJI[11]。最近一項研究發現，滑膜液CRP診斷慢性PJI的最佳臨界值為7.26 mg/L，敏感性為84.62%，特異性為93.10%[12]。然而，低毒力細菌會黏附在植入物表面，形成生物膜，從而逃避宿主免疫，導致炎癥反應減弱[13]，因此不推薦單獨使用滑膜液CRP來診斷慢性PJI。

聯合應用血清CRP和滑膜液CRP是一個很好的選擇。組合模型Ⅰ（血清CRP＞10.2 mg/L或滑膜液CRP＞7.26 mg/L）對PJI的陰性預測值（negative predictive value，NPV）為96.67%，敏感性為97.44%；組合模型Ⅱ（血清CRP＞10.2 mg/L和滑膜液CRP＞7.26 mg/L）的特異性為100%，陽性預測值（positive predictive value，PPV）為100%；首先采用組合模型Ⅰ獲得更高的診斷敏感性，并降低假陰性率，然后采用組合模型Ⅱ降低假陽性率[11]。ABDELBARY等[14]也認可這種聯合診斷方法，對無法通過聯合診斷方法確診的患者可輔以更具體的滑膜測試和微生物學測試，以盡量減少漏診和誤診。

值得注意的是，接受免疫抑制治療的患者發生PJI的風險較大，很多處于免疫抑制狀態的PJI患者未檢出典型的PJI實驗室指標變化，且CRP、ESR等傳統生物標志物診斷效能比較低[15]，所以應高度關注免疫抑制患者是否發生PJI。

1.2 中性粒細胞Fcγ受體I（neutrophil Fcγ receptor I，FcγRI）

中性粒細胞是急性炎癥過程中的關鍵效應細胞，而FcγRI在介導細菌感染的炎癥中起重要作用，因此可以作為PJI的一個有價值的生物標志物。Fcγ受體分為三大類：FcγRⅠ（CD64）、FcγRⅡ（CD32）和FcγRⅢ（CD16）。其中，CD64是唯一的高親和力受體，在巨噬細胞上組成型表達[16]。CD64水平不受免疫缺陷的影響，健康個體中性粒細胞CD64水平非常低。然而，當微生物和炎癥細胞因子存在時，中性粒細胞CD64的表達將顯著增加。所以，CD64有助于PJI的診斷[17]，且診斷效能優于其他PJI生物標志物，包括血清ESR和血清CRP。有研究結果顯示，滑膜液CD64診斷PJI的最佳臨界值為0.85，敏感性為92.0%，特異性為96.0%[18]。

1.3 滑膜液中的可溶性免疫調節標志物

免疫調節標志物包括可溶性淋巴細胞活化基因-3（soluble lymphocyte activation gene-3，sLAG-3）、細胞毒性T淋巴細胞相關抗原-4（cytotoxic T lymphocyte associated antigen-4，CTLA-4）、可溶性白細胞分化抗原27（soluble cluster of differentiation 27，sCD27）、可溶性白細胞分化抗原80（soluble cluster of differentiation 80，sCD80）、可溶性白細胞分化抗原28（soluble cluster of differentiation 28，sCD28）、T細胞免疫球蛋白黏蛋白結構域分子-3（T cell immunoglobulin mucin domain molecule-3，Tim-3）、可溶性程序性死亡受體-1（soluble programmed death receptor-1，sPD-1）、吲哚胺2，3雙加氧酶（indoleamine 2，3 dioxygenase，IDO）、可溶性BT淋巴細胞衰減因子（soluble BT lymphocyte attenuation factor，sBTLA）。相較而言，PJI通常是一種慢性感染。有研究發現，沒有植入假體的天然關節中可溶性免疫調節標志物的平均濃度一般較低，沒有感染跡象或無菌性松動患者的關節中，其濃度一般低于有無菌植入失敗病史患者的關節，PJI患者關節中可溶性免疫調節標志物的濃度往往最高；sCD27、sBTLA和sCD80則是例外，這3個生物標志物在沒有感染跡象或無菌性松動關節組中最高，高于PJI組；這些免疫調節標志物分子不受手術部位、類風濕性關節炎或2型糖尿病的影響，或僅受到輕微影響；上述免疫調節標志物是診斷PJI新的指標[19]。

1.4 滑膜液DEFA1

目前，有3種檢測滑膜液DEFA1的方法：酶聯免疫吸附試驗（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）、α-防御素側流試驗（alphadefensin lateral flow test，ADLF）、基質輔助激光解吸電離時間飛行質譜（matrix-assisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry，MALDI-TOF MS）。

滑膜液DEFA1診斷PJI的效能優于血清DEFA1。然而，ELISA需要24 h才能報告結果。雖然即時檢測可在10 min內提供結果，但與ELISA相比，其敏感性較低（69%～92%）[20-22]。

BALATO等[23]發現，ADLF和ELISA診斷PJI的敏感性分別為83%和97%，特異性分別為94%和96%，所以如果關注診斷的準確性，應首先考慮ELISA。然而，DEIRMENGIAN等[24]認為可能是操作程序不同導致ADLF的準確性降低。

ELISA測定DEFA1的敏感性為81.1%～97.0%，特異性為95.0%～100%[25-27]。有研究結果顯示，ELISA診斷PJI的敏感性和特異性分別為78.2%和96.6%，但有22%的PJI翻修患者仍存在假陰性問題，且大多數假陰性檢測結果是由低毒力的微生物（凝固酶陰性葡萄球菌、腸球菌、痤瘡皮膚桿菌）引起的，所以低毒力病原菌感染中患者DEFA1水平仍需要進一步的研究來確定更符合臨床需求的臨界值[28]。

MALDI-TOF MS的總體準確率為94.9%，敏感性為93%，特異性為96%，只需要幾毫升滑膜液即可進行分析，20 min即可出結果，成本較低，血液或碎片污染也不影響其可靠性[29]。

DEFA1免疫測定法診斷PJI的敏感性和特異性均較高，這一點幾乎沒有爭議。然而，近期也有研究認為將滑膜液DEFA1檢測添加到常規血清學和滑膜液分析中并不能明顯提高診斷效能，所以建議僅在PJI診斷不明的情況下（如無法通過常規血清學和滑膜液指標來診斷PJI時）增加滑膜液DEFA1檢測[30-31]。

總之，ELISA雖然具有較高的敏感性和特異性，但需要專門的實驗室和復雜的程序，成本高、耗時長（約24 h），不符合快速診斷需要；而α-防御素側流試驗除成本高外，其有效性也是需要考慮的問題；另外，雖然MALDI-TOF MS有著很大的優勢，但仍需要進一步的研究。

另外，類風濕性關節炎和其他炎癥性關節炎患者在無感染的情況下DEFA1也會升高[32]，這可能也是MALDI-TOF MS檢測結果的干擾因素之一[33]。

1.5 滑膜液LE

滑膜液LE可催化感染部位中性粒細胞釋放的結締組織基質降解。LE檢測診斷PJI的敏感性和特異性分別為100.0%和93.8%[34]。其檢測速度快（約20 min）、成本低，且無需專用儀器；其另一個優勢是，術中評估滑膜液LE和CRP可能會提高PJI診斷的準確性，可能替代術中冷凍切片。需要注意的是：血液、金屬和其他碎片可能會干擾LE檢測，實驗室需要對樣本進行離心處理，以減少干擾。除此之外，LE檢測對滑膜液量也有一定的要求。

1.6 滑膜液D-乳酸

微生物負荷低，延遲感染僅會引起細微的臨床體征和癥狀變化。雖然細菌代謝隨著生物膜的成熟而減少，但仍會產生可檢測量的D-乳酸。D-乳酸幾乎完全由細菌產生，因此是一種有效的細菌感染生物標志物，培養陰性的臨床樣本中，D-乳酸水平升高可提示細菌感染。

D-乳酸的有效性與滑膜液白細胞計數相當，滑膜液D-乳酸（臨界值為1.263 mmol/L）診斷PJI的敏感性為86.4%，特異性為80.8%[35]，且病原菌的毒力不影響D-乳酸濃度。除此之外，D-乳酸檢測需要的滑膜液量少（50 μL），檢測時間短，成本低，可與具有更高特異性的確認性測試結合，以提高特異性。

1.7 IL-6

IL-6是一種炎癥細胞因子，可介導發熱和急性期反應，它不僅是CRP的前體，還可觸發多數生物標志物向炎癥部位趨化，優勢是其水平在無菌性關節松動患者中正常。

血清I L-6 診斷P J I 的最佳臨界值為9.14 pg/mL，敏感性、特異性和NPV分別為81%、63%和85%。與滑膜液白細胞（white blood cell，WBC）計數聯合檢測，敏感性、特異性和NPV分別為100%、90%、100%[36]。IL-6是極好的PJI篩查指標。

然而，IL-6對于術后3 d內PJI的診斷準確性不高，且檢測成本較高，操作復雜，不宜推廣。

1.8 基于實時熒光定量聚合酶鏈反應（quantitative real-time polymerase chain reaction，qRT-PCR）的超快基因分析

假體周圍組織的基因分析有助于確定PJI感染的真實階段，從基因層面反映PJI（特別是低級別的PJI）的早期、晚期和恢復期，而滑膜液和血清生物標志物無法達到這一目的，在關節液有限、不可用，或被血液等污染，以及在其他生物標志物檢測結果相互沖突的情況下，可有效判斷PJI。特征選擇算法結果顯示，DEFA1-IL-1B-LTF模式最適合排除PJI，敏感性為94.5%，特異性為95.7%[37]，且DEFA1-IL-1BLTF基因表達檢測使用與電子計算機相連的超快速qRT-PCR可以在采樣45 min內篩查出PJI患者，這對于早期、晚期和恢復期PJI和低級別PJI患者的分層診療具有重要意義，且因其準確、快速的優勢，為術中診斷開辟了一條新路，特別是對于假體關節翻修手術患者而言，意義更大。

然而，基于qRT-PCR的超快基因分析需要特定儀器，成本較高，且DEFA1-IL-1B-LTF基因模式尚未在更大的研究層面上得到驗證，目前難以推廣。

1.9 滑膜液ADA

滑膜液ADA是一種具有抗炎和組織保護特性的嘌呤核苷，漿液性體液中的ADA水平可能有助于免疫系統的激活。滑膜液ADA＞61 U/L診斷PJI的敏感性為78.3%，特異性為96.9%[38]。ADA檢測的最大的優勢在于操作簡單，成本很低，與滑膜液WBC計數同時檢測可以替代某些高成本的檢測項目。

1.10 轉錄組廣譜高密度微陣列分析相關基因及其轉錄譜

急性感染引起的PJI通常比較容易檢測，如滑膜液中的CRP、ESR、DEFA1，在一定程度上可以診斷急性感染，但是對于慢性感染來說，往往很難診斷。

有研究基于轉錄組廣譜高密度微陣列分析診斷慢性假體周圍感染患者和無菌性假體關節松動患者的假體周圍組織（主要是脂肪細胞和成纖維細胞），發現兩者差異與基因轉錄譜相關，其中NQO1、DDX24、LCOR、LY6G6C和TRAC這5個基因的差異轉錄可提示感染改變了假體關節周圍組織的轉錄譜，在這5個基因及其轉錄譜中，又以NQO1最具價值，其受試者工作特征曲線的曲線下面積為0.924[39]。

轉錄組廣譜高密度微陣列分析通過先識別慢性感染假體周圍的基因及其轉錄譜，再根據這些基因轉錄譜的次生代謝物來確定新的診斷PJI的標志物，這5個基因及其轉錄譜的差異可能代表了新的診斷目標。然而，目前尚無上述5個基因相關蛋白表達水平的相關報道，無法用于臨床診斷。

1.11 sICAM-1和sce-LTA IgG

sICAM-1和sce-LTA IgG水平可以預測假體髖關節松動患者的感染，是診斷PJI的輔助指標。

WORTHINGTON等[40]發現，sICAM-1是一種完整的膜蛋白，對WBC遷徙到炎癥組織中起至關重要的作用。與無菌性松動患者相比，PJI松動患者的sICAM-1水平顯著升高，以250 ng/mL為臨界值，診斷PJI的敏感性、特異性和準確度分別達到94%、74%和80%。他們認為，血清sce-LTA IgG抗體對凝固酶陰性葡萄球菌感染（包括假體關節感染）患者具有一定的診斷價值。

2 總結與展望

雖然陽性培養結果是診斷假體關節感染的金標準，但培養的高假陰性率使PJI診斷面臨挑戰。CRP和ESR是診斷PJI的首選生物標志物，IL-6、DEFA1、D-乳酸、ADA、sICAM-1、sce-LTAIgG和LE等作為診斷PJI的新的生物標志物，各有優勢，但也應注意其使用限制。滑膜液中性粒細胞CD64指數和滑膜液中部分可溶性免疫調節標志物在分子層面上為PJI的診斷提供了新的方法和方向，DEFA1-IL1B-LTF超快基因分析和轉錄組廣譜高密度微陣列分析等新興技術則幫助臨床從基因層面上更好地認識PJI。

隨著對傳統標志物的進一步研究，以及新生物標志物與相關檢測技術的開發，PJI的診斷效能，會不斷提高PJI的診斷會越來越準確。