疼痛性关节假体的鉴别诊断对治疗成功至关重要。术前常规进行关节穿刺。本文介绍了一种利用多重聚合酶链式反应对关节穿刺液及超声振荡液进行快速病原体检测的可行方法。
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疼痛性关节假体的鉴别诊断对治疗成功至关重要。术前常规进行关节穿刺。本文介绍了一种利用多重聚合酶链式反应对关节穿刺液及超声振荡液进行快速病原体检测的可行方法。
在骨科患者中,与异物相关的感染,尤其是假体周围关节感染(PJIs),是关节成形术的一种严重并发症。感染需要复杂的治疗,可能导致长期住院,并带来巨大的医疗费用。这些患者可能需要多次手术翻修,导致功能丧失以及生活质量下降。
常规术前诊断包括C反应蛋白(CRP)及其他生物标志物的血液检测,以及关节穿刺液的细胞计数、分类和培养分析。术中获取组织标本进行组织学和微生物学检查也是标准操作流程。对取出的植入物进行超声处理后的微生物学检查,结合分子生物学技术在微生物学中的应用,是目前用于提高假体关节感染(PJI)鉴别诊断准确性的两项新技术。
本文介绍了使用基于 cartridge 的多重聚合酶链式反应(PCR)系统对关节穿刺液和超声处理液进行分析的逐步操作流程。PCR检测结果与传统培养方法及PJI的共识标准进行了比对。组织活检、关节穿刺液和超声处理液的传统微生物培养的敏感性分别为66.7%、66.7%和88.9%,特异性分别为82.3%、54.6%和61.5%。超声处理液和关节穿刺液的PCR诊断敏感性分别为50.0%和55.6%,特异性均为100.0%。两种PCR诊断方法联合使用时,敏感性为66.7%,特异性为100.0%。因此,多重PCR是一种在诊断PJI时具有中等敏感性但高特异性的快速诊断工具。
疼痛性关节成形术在骨科手术中构成诊断挑战。在无菌性松动之后,PJI 是假体失效的第二大原因,也是关节成形术后严重的并发症。PJI 难以治疗且难以诊断。若漏诊 PJI,很可能导致感染复发,造成严重发病率、功能丧失以及生活质量下降。因此,在所有主诉关节成形术后疼痛的患者中,必须在启动任何治疗措施之前排除感染的可能性。
患者病史、临床检查、C反应蛋白和白细胞计数的血液检查,以及受累关节的X线检查或闪烁显像构成了基本的诊断方法1。术前常规还应尽可能在无菌条件下进行关节穿刺。所获取的穿刺液是进一步诊断中极为有价值的材料。
除了关节穿刺液中的细胞计数和细胞分类等已确立的检测方法外2,蛋白质生物标志物的检测可能有助于鉴别诊断3,4,5。传统的微生物培养仍是病原体检测的金标准。由革兰阳性菌和革兰阴性菌引起的生物膜附着于植入物表面,是假体关节感染(PJI)的主要致病因素。因此,2007年,超声振荡技术被引入骨科手术中与异物相关感染的诊断,通过破坏取出植入物表面的生物膜,使病原体得以释放并被检测。该过程可使细菌从静止状态转变为活跃状态,从而再次实现培养检测。对取出的植入物进行超声振荡的检测敏感性高于组织标本培养(78.5% vs. 60.8%)6。
核酸扩增检测(NAT),例如PCR,最近已被临床医生和微生物学家用于诊断假体关节感染(PJI)。特别是在手术前接受过抗生素治疗的患者中,研究表明PCR诊断在识别致病微生物方面具有优势7,8,9。最近推出了一种新型多重PCR系统,专为植入物和组织感染(ITI)设计。该基于 cartridge 的系统提供了多种基因组标记,可用于病原体鉴定以及抗生素耐药标记的检测。其适用范围涵盖多种临床指征(假体关节感染、手术部位感染、心血管相关感染、导管相关感染、糖尿病足感染、深部皮肤和组织感染、植入物感染以及烧伤创面感染),并可使用多种类型的样本材料进行检测(超声清洗液、滑膜液、拭子、组织、脓液、穿刺液/渗出液以及生物膜)10,11,12。
与传统微生物学方法相比,该操作的最大优势在于速度快:可在数小时内鉴定出致病病原体。此外,该PCR系统可检测多种基因编码的耐药标志物,从而能够尽早启动靶向抗生素治疗。借助PCR技术,外科医生可能在诊断流程的早期阶段即能区分感染与非感染患者11。本文中,我们展示了利用多重PCR快速诊断关节穿刺液和超声处理液中假体关节感染(PJI)的实验方案。
本研究已获得当地伦理委员会批准(046/09,版本3)。所有纳入患者均签署了知情同意书并提供了数据隐私声明。
1. 关节穿刺术
注意:该操作应在具备同等无菌条件的手术室或介入治疗室内进行。有护士或医生协助较为便利,但并非必需。
2. PCR 诊断
3. 手术步骤:术中样本采集
注意:翻修关节置换手术需要具备专家级别的技能和经验;如需全面了解手术操作,请参考外科医师专用教科书18。完整而详细的手术步骤描述已超出本文范围。本文重点介绍样本采集及分析前处理的细节。在翻修关节置换手术中,应避免单次注射抗生素预防用药,以免影响术中获取的微生物学样本检测结果。尽管该做法尚存争议19,20,但仍建议遵循此原则。应尽可能采用原有的手术入路进入关节。额外的手术入路可能损伤软组织并增加瘢痕形成。
4. 超声处理
注意:务必严格进行无菌操作。对移植材料进行后续处理时,应使用 II 级生物安全柜并配合层流空气系统。
根据肌肉骨骼感染学会(Musculoskeletal Infection Society, MSIS)共识会议的定义,若满足一项主要标准或五项次要标准中的至少三项,则视为确诊假体周围关节感染(PJI)。主要标准包括存在窦道,或在两个独立的微生物样本中检测到病原体。次要标准包括关节穿刺液中白细胞计数升高(>3,000 个白细胞/µL)或细胞分类异常(>85% 中性粒细胞),血液样本中C反应蛋白(CRP)和红细胞沉降率升高,组织样本中病理学检查阳性,或仅在一个微生物样本中检测到病原体19。以MSIS标准作为金标准,计算了核酸扩增检测(nucleic acid amplification test, NAT)的敏感性和特异性。患者详细信息及所检测到的病原体见表1。
我们自己的研究结果显示,对超声处理液和关节穿刺液进行PCR诊断的敏感性中等(分别为50.0%和55.6%),但特异性极强,达到100%11。在所有PCR检测(总计n = 62次检测)中,当关节穿刺液(n = 31)或超声处理液(n = 31)显示阳性结果时,后续均在同一病例的常规微生物培养中检出相同的病原体。对非感染病例的不同样本进行PCR检测均未出现假阳性结果(见图1)。
PCR 诊断未能检测出一些通过传统微生物培养方法证实存在的病原体。在超声处理液样本中,16 种(37.0%)真实病原体中有 6 种未被 PCR 检测到;在关节液培养中,13 种病原体中有 5 种(38.0%)未被 PCR 检测到。其中,PCR 诊断主要漏检的是凝固酶阴性葡萄球菌(共 11 株中有 8 株漏检)。联合使用两种样本材料(关节穿刺液和超声处理液,“合并 PCR”)的 PCR 检测可正确识别 18 例感染病例中的 12 例(敏感性为 66.7%,95% 可信区间:41.0% 至 86.7%,见 表 2)。

图1: NAT结果汇总。 该图表展示了所有患者样本的汇总结果。右侧为符合PJI诊断标准的患者组,左侧为不符合该标准的患者组。柱状图表示核酸扩增方法。假阳性和假阴性以占总数的百分比形式用红色标出。请点击此处查看该图的放大版本。
| 关节 | 翻修原因 | 是否符合 MSIS 标准? | 既往是否接受抗生素治疗? | 超声处理液培养 | 关节穿刺液培养 | 超声处理液 NAT 培养 | 关节穿刺液 NAT |
| 髋关节 | 无菌性松动 | 否 | 否 | ||||
| 膝关节 | 无菌性松动 | 否 | 否 | Staphlococcus epidermidis | |||
| 膝关节 | 无菌性松动 | 否 | 否 | Dermabacter hominis | |||
| 膝关节 | 无菌性松动 | 否 | 否 | ||||
| 膝关节 | 无菌性松动 | 否 | 否 | Leifsonia aquatica | |||
| 髋关节 | 无菌性松动 | 否 | 否 | ||||
| 膝关节 | 无菌性松动 | 否 | 否 | ||||
| 膝关节 | 不稳 | 否 | 否 | ||||
| 髋关节 | 慢性脱位 | 否 | 否 | Staphylococcus haemolyticus | |||
| 膝关节 | 无菌性松动 | 否 | 否 | ||||
| 髋关节 | 无菌性松动 | 否 | 否 | ||||
| 髋关节 | 无菌性松动 | 否 | 否 | Staphlococcus epidermidis | |||
| 膝关节 | 不稳 | 否 | 否 | ||||
| 膝关节 | 急性感染 | 是 | 是 | Pseudomonas aeruginosa | Pseudomonas aeruginosa | Pseudomonas aeruginosa | |
| 膝关节 | 急性感染 | 是 | 否 | Escherichia coli | Escherichia coli | Escherichia coli | |
| 髋关节 | 慢性感染 | 是 | 否 | Corynebakterium spp. | Staphlococcus epidermidis | ||
| 膝关节 | 急性感染 | 是 | 否 | Staphylococcus aureus | Staphylococcus aureus | Staphylococcus aureus | Staphylococcus aureus |
| 膝关节 | 慢性感染 | 是 | 否 | Streptococcus agalacticae | Streptococcus agalacticae | Streptococcus agalacticae | Streptococcus agalacticae |
| 髋关节 | 慢性感染 | 是 | 是 | Staphylococcus aureus | |||
| 膝关节 | 慢性感染 | 是 | 否 | Staphlococcus epidermidis | |||
| 膝关节 | 慢性感染 | 是 | 是 | Staphlococcu epidermidis | Staphlococcus epidermidis | ||
| 髋关节 | 慢性感染 | 是 | 否 | Staphlococcus epidermidis | Staphlococcus epidermidis | ||
| 膝关节 | 慢性感染 | 是 | 否 | Staphlococcus epidermidis | Coagulase-negative Staphylococci | Coagulase-negative Staphylococci | |
| 髋关节 | 慢性感染 | 是 | 否 | Staphylococcus aureus | Staphylococcus aureus | ||
| 膝关节 | 急性感染 | 是 | 否 | Staphlococcus epidermidis | Staphlococcus epidermidis | Coagulase-negative Staphylococci | Coagulase-negative Staphylococci |
| 髋关节 | 急性感染 | 是 | 否 | Staphlococcus epidermidis | Coagulase-negative Staphylococci | ||
| 髋关节 | 慢性感染 | 是 | 否 | Staphlococcus epidermidis | Staphlococcus epidermidis | ||
| 髋关节 | 急性感染 | 是 | 否 | Staphlococcus epidermidis | Coagulase-negative Staphylococci | ||
| 膝关节 | 慢性感染 | 是 | 否 | Staphylococcus aureus | Staphylococcus aureus | Staphylococcus aureus | |
| 髋关节 | 慢性感染 | 是 | 否 | Enterococcus faecialis | Enterococcus faecialis | Enterococcus spp. | Enterococcus spp. |
| 膝关节 | 慢性感染 | 是 | 是 | Enterocuccus faecalis | Enterocuccus faecalis | Enterococcus spp. | Enterococcus spp. |
表1:患者信息及检出的病原体。 患者信息的表格结果,包括翻修手术的原因、MSIS标准符合情况,以及传统微生物学和核酸扩增检测(NAAT)分析中检出的病原体。
| 标准 | PCR 超声处理 | PCR 抽吸 | 混合 PCR |
| P 值 | 0.0036 | 0.0013 | 0.0001 |
| 灵敏度 | 50.0% | 55.6% | 66.7% |
| 特异性 | 100.0% | 100.0% | 100.0% |
| 阳性预测值 | 100.0% | 100.0% | 100.0% |
| 阴性预测值 | 59.1% | 61.9% | 68.4% |
表2:微生物学方法的结果。 超声液、关节穿刺液和混合PCR的PCR诊断评估的表格结果。穿刺液和超声液标本各为31例(N = 31),混合PCR数据为62例(n = 62)。
异物感染是骨科和创伤外科中日益突出的问题,其治疗费用高昂,住院时间长,且会导致受累关节功能障碍。鉴别诊断具有挑战性。目前许多研究人员和临床医生正关注这一问题,致力于寻找更精确、更可靠的诊断方法以识别与异物相关的感染。迄今为止,已有多种不同的诊断工具正在被评估,并逐步纳入诊断流程32。
超声处理程序是一种极为重要的方法,其灵敏度优于组织标本的传统培养方法6。在本研究中,我们发现超声液培养的灵敏度为88.9%,特异性为61.5%;而组织标本和关节穿刺液的传统培养灵敏度均为66.7%,特异性分别为82.3%和84.6%。其他研究人员对这些传统微生物学方法也报道了类似的结果6,33,34,35。人们常批评超声处理程序容易受到污染,因此在样本处理过程中必须格外小心。
在组织标本或体液中检测致病病原体DNA的可能性令人关注。与耗时较长的微生物培养方法相比,核酸扩增技术(NAT)是一种快速检测方法,可在数小时内获得结果。毫无疑问,NAT在病原体检测方面具有良好的敏感性,但存在检出污染物的风险,因此特异性较差36。研究表明,特别是在手术前近期或长期接受抗生素治疗的患者中,PCR技术在诊断假体关节感染(PJI)方面具有显著优势7,8。有研究提示,对超声清洗液进行NAT检测可进一步提高敏感性和特异性37。然而,由于该技术操作流程耗时,目前尚未在实验室中常规开展。
PCR 技术总体上存在某些局限性:核酸扩增检测(NAT)能够检测 DNA,但无法区分活菌与非活菌,使得结果解读困难。广谱 PCR 仅能检测核糖体 16S 核糖核酸(16S rRNA),无法区分病原体37。更特异的检测系统通常无法常规检出基因编码的抗生素耐药标志物。因此,在缺乏进一步药敏试验的情况下,靶向抗生素治疗可能受到限制。
本研究中采用的系统克服了其中一些局限性,能够区分特定细菌并鉴定基因编码的耐药标志物。总体而言,核酸扩增检测(NAT)可被视为快速且有用的补充方法,用于确认假体关节感染(PJI)7,8,9,38。
在进行关节穿刺和手术时,必须提前做好规划:样本容器必须无菌并准备就绪,且需确保样本能够及时运送。外科医生应提前向微生物学家通报拟进行的手术操作及预期获取的样本类型。实施关节穿刺时,必须严格维持无菌条件,以防止医源性关节感染。对于脂肪组织较多的患者,关节穿刺可能较为困难,此时可借助透视引导以提高准确性。翻修关节置换手术对技术要求极高,应仅由经验丰富的外科医生实施。取出的植入物材料在手术室内停留的时间应尽可能短,须尽快送至微生物学实验室。本操作规程中一个极为关键的环节是潜在的污染风险。不仅在样本采集过程中,而且在微生物学实验室处理样本时,所有相关人员(骨科医生、护士、技术人员、微生物学家)都必须操作迅速、准确,并接受过相关操作流程的规范培训。
超声处理和核酸扩增技术(NAT)是诊断植入物相关感染的有用工具。然而,其结果始终需要谨慎评估。我们建议由骨科医生、微生物学家、感染病专家和病理学家共同进行多学科会诊,讨论检测结果,以确定个体化的治疗策略。
将该技术应用于PJI的诊断流程中可能具有多个优势。它是一种快速诊断方法,数小时内即可获得结果。由于可分析多个基因编码的耐药标记物,因此可在临床病程的早期阶段即启动针对性的抗生素治疗。作为附加益处,广谱抗生素可被保留用于真正需要的适应证。根据我们的方案,也可对其他类型的样本(例如组织标本、拭子、血肿、等)进行检测。由于PCR检测盒为封闭系统,用户端无需也不可进行任何故障排查。任何对方案的修改必须由制造商实施。制造商持续对软件和硬件(检测盒)进行改进以提升系统性能,但不会公开新版本中具体变更的详细信息。
作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢Curetis GmbH对本研究的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 无菌塑料容器 | Lock & Lock, Distributor ISI GmbH, Solingen, Germany | EAN 8803733184403 | 植入物运输容器 |
| Bactosonic 14.2 | Bactosonic, Bandelin, Berlin, Germany | 3290 | "超声震荡仪" |
| 50 ml Falcon 管 | Becton & Dickinson, Heidelberg, Germany | 352070 | 离心 |
| PEDS 培养基血培养瓶 | Becton & Dickinson, Heidelberg, Germany | 442194 | 培养基 |
| 含 5% 绵羊血的哥伦比亚琼脂 | Becton & Dickinson, Heidelberg, Germany | 254071 | 培养基 |
| 麦康凯琼脂 | Becton & Dickinson, Heidelberg, Germany | 254078 | 培养基 |
| 巧克力琼脂 | Becton & Dickinson, Heidelberg, Germany | 254089 | 培养基 |
| 沙保琼脂 | Becton & Dickinson, Heidelberg, Germany | 254096 | 培养基 |
| 硫乙醇酸盐肉汤 | Becton & Dickinson, Heidelberg, Germany | 221788 | 培养基 |
| 谢德勒琼脂 | Becton & Dickinson, Heidelberg, Germany | 254084 | 培养基 |
| 卡那霉素/万古霉素琼脂 | Becton & Dickinson, Heidelberg, Germany | 254077 | 培养基 |
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| Unyvero A50 分析仪 | Curetis, Holzgerlingen, Germany | 60001 | PCR 仪 |
| Unyvero L4 裂解仪 | Curetis, Holzgerlingen, Germany | 60002 | PCR 仪 |
| Unyvero C8 控制台 | Curetis, Holzgerlingen, Germany | 60003 | PCR 仪 |
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| Unyvero 样本管 | Curetis, Holzgerlingen, Germany | 10003 | PCR 耗材 |
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