抗生素骨水泥在人工关节置换术后感染中应用

人工关节置换术后感染(PJI)是人工关节置换术后最严重的并发症，其发生率2005年数据显示为0.5%～3%，近年来有增高的趋势，2012年NARA 数据显示，自1999年以来，PJI风险增高了0.6倍。PJI造成的后果是灾难性的，众多机构报告PJI行翻修术，在手术时间、术中出血、术后并发症、住院时间、医疗花费、随访时间方面都明显高于非感染性翻修术。一项对髋关节PJI翻修术术后平均5年(2～17年)的随访表明，二期翻修患者术后关节功能较一期翻修及未翻修者明显下降。

鉴于PJI的严重后果，预防和治疗PJI是近年的研究热点。骨水泥作为人工关节置换术必需的材料，Bucholz于1970年首次将抗生素复合的骨水泥应用于预防和治疗THA术后感染，目前抗生素复合骨水泥(AIBC)治疗骨水泥型PJI疗效已经得到认可。自AIBC应用以来，在骨水泥的选择、抗生素选择、 AIBC的材料学和生物学性质方面，已积累了大量研究，但缺少系统性分析，本文对这些研究进行了综述和分析。

方法及纳入标准
在 PubMed、MEDLINE数据库中检索截至2014年1月的所有文献，关键词包括“bonecement”、“gen- tamicin/clindamycin/vancomycin/tobramycin/daptomycinloaded /impregnatedbonecement”、“antibiotic-loaded/impregnated”，分别对关键词进行单独及组合检索，仅纳入预防和治疗PJI相关的原始研究，对于初步选择的文章详细阅读其摘要。除非报道了新的发现，否则综述及病例报道不包含在本分析之内。详细阅读这些研究，对骨水泥的选择、抗生素选择、复合后的性质、临床疗效进行系统性综述。最终共纳入584项原始研究。
结果和分析
骨水泥的选择
从发表的文献来看，所选择的骨水泥包括聚丙烯酸甲酯(PMMA)、磷酸钙骨水泥(CPC)、羟基磷灰石骨水泥(HAC)、生物活性玻璃等，其中411项研究所选择的的骨水泥为丙烯酸类骨水泥，占84%。PMMA是最常选择的骨水泥:(1)其材料本身具有良好的材料学性质和载药性能;(2)PMMA使用最早、临床应用最广泛。
PMMA 是一种强度类似玻璃的有机材料，1943年Degussa和Kulzer公司发明了PMMA骨水泥。在扫描电镜下，可看到PMMA横断面呈多孔状，有大小不一的不规则孔隙，孔径30～100μm。加入抗生素后可在孔隙中观察到颗粒，直径约40～250μm。这种结构是抗生素释放的基础。由于结构变化多样，物质在多孔介质中的扩散动力学尚无明确模型，目前部分学者认为载药PMMA是基体型(matrix)扩散，药物在液体环境下，通过孔隙内浓度梯度弥散而释放。
药物的释放从载药外周开始，当周围液体渗入载药内部时，深部的药物才继续向外扩散。孔隙大小、孔隙通道的曲折程度、载药厚度、扩散时间均影响药物的释放效率。此外，还有部分学者认为载药PMMA抗生素的释放为界面现象，BakerAS等通过亚甲蓝和庆大霉素扩散试验证实骨水泥不可渗透，因而认为几何形状、温度、pH是影响抗生素释放的主要因素。
综合上述两种观点，部分学者认为基体型扩散和界面现象均影响AIBC抗生素的释放，只是在抗生素释放的不同时相两种机制影响程度不一样。除PMMA外，其他常被选择的骨水泥都可归类为可降解骨水泥，主要是磷酸钙、硫酸钙等，这类骨水泥均能有效释放抗生素，同时因为材料本身具有可降解性，具有很强的应用前景，但抗生素复合后的材料学性质方面尚需大量研究。

抗生素的选择
因为抗生素和骨水泥复合后会影响到抗生素的抗菌活性和骨水泥的材料学性质，所以抗生素的选择需慎重。在目前的研究中，所选择抗生素分类列于图2。抗生素的选择包括2大类:(1)PDA批准的AIBC产品，目前所使用的抗生素包括:庆大霉素(CMW、PalacosG、SmartSetGHV/MHV、 Copal)、妥布霉素(SimplexP、Prostalac)、万古霉素(prostalac)、林可霉素(copal);(2)临床医生根据实际情况需要，术中临时配制的AIBC，常见的抗生素除上述外还包括:达托霉素、红霉素、青霉素、链霉素、环丙沙星等。
从选择的抗生素来看，具有以下特点:(1)抗菌谱广，能覆盖常见PJI细菌谱;(2)天然耐药菌株少;(3)不影响骨水泥的机械性能;(4)具有良好的化学稳定性和热稳定性;(5)具有水溶性，可以在液体环境下释放;(6)能在较低浓度下发挥抗菌活性。
因为抗生素含量增加会减弱骨水泥的机械性能，目前AIBC的抗生素含量通常都在2.5%～5%，上述FDA批准的骨水泥产品中抗生素含量也在2%～5%。至于复合抗生素的最大含量，目前仍缺乏公认的研究结论，WaertelG的研究认为10%以上就不能用于假体固定，但ElsonRA的研究则证明10%浓度并不影响机械强度。AnastasiosL将相同质量的万古霉素加入到不同品牌的骨水泥中，发现骨水泥品牌对于抗生素复合的最大含量有影响。虽然在最大复合量上存在争议，但一般认为5%浓度以下是安全的。
由于多种细菌混合感染在PJI中高达36%，同时由于耐药菌株的出现，联合多种抗生素复合骨水泥是抗生素选择的热点问题，其相关性质会在后文中详细说明。
抗生素复合骨水泥的性质
机械性质
目前对于骨水泥的评价，有ISO5833和ASTMF451两个标准，在机械性质方面两者均规定了压力试验，除此之外，ISO5833标准还规定了四点弯曲试验，在不少研究中也将疲劳时间作为评价机械性能的一个指标。
研究表明，随着载抗生素含量的增加，AIBC的机械性能下降。多种抗生素(庆大霉素、青霉素、头孢噻肟、达托霉素、万古霉素)复合骨水泥在复合浓度5%以下时，均不影响骨水泥的抗压强度。10%的庆大霉素、1.25%的万古霉素能显著降低复合骨水泥的弯曲强度和弯曲模量，但仍高于ISO5833标准。 2.5%的庆大霉素、2.5%的万古霉素、3%妥布霉素能显著降低骨水泥的疲劳时间。
在联合多药复合的研究中，一般两种抗生素复合后对机械性能的影响不显著，仅发现庆大霉素和万古霉素联合后会降低抗弯强度。
洗脱特性
AIBC 的洗脱特性描述了在体外环境下，固定时间从生理盐水浸泡的AIBC元件中洗脱的抗生素浓度。从发表的众多洗脱曲线来看，抗生素的洗脱曲线包含3个部分:曲线的初始阶段(约24h内)，洗脱速率快，大量抗生素被洗脱;曲线的中间阶段，洗脱速率逐渐下降;曲线的终末阶段，洗脱曲线下降至某一速度，维持稳定，趋于平直。这与载药PMMA药物释放理论是一致的，初始阶段抗生素的释放依赖于界面效应，终末阶段依赖于孔隙的扩散效应。对洗脱曲线进行拟合，多项研究得到了多个拟合方程。
可以看出Higuchi、Korsmeyer、Peppas等提出的模型均是基于Fick扩散定律而提出的，Rit-ger、Cobby、Lindner等对其进行了优化。在AIBC的试验研究中，这些模型均难以充分描述抗生素释放规律。Cobby等考虑到载药的表面性质，Kuhn、Frutos等融合了多个方程，最终分别提出了新的模型，尤其是Frutos模型中，作者将抗生素的释放包括3个方面:等式右边第一项(Mburst)表示最初大量释放量，第二项(Mdiss(1-e-nt))表示药物溶解过程释放量，第三项(K16t1/2)表示Fick扩散释放量。但这些模型在实际应用中仍然难以让人满意。虽然目前在药物释放模型方面进行了大量研究，但试验研究中发现模型方程拟合优度均较低，不同方程之间差别较大，目前尚难以用简单模型描述该洗脱过程。
试验发现多种因素影响抗生素的洗脱特性，包括:骨水泥组成、抗生素类型、抗生素和骨水泥的混合方式、复合骨水泥中添加其他成分、超声刺激等。以庆大霉素为例，多项研究比较了不同品牌抗生素对庆大霉素洗脱特性的影响，发现与CMW系列骨水泥混合后，其168h释放量为3.8%～5.5%，与PalacosR复合后，其释放量为8.4%，与Palamed复合后，其释放量为17.0%。RefobacinBoneCe-ment和PalacosR+G相比，其释放量则无差别。
因为PMMA不可降解、亲水性差等原因，多项研究在PMMA中加入可降解物质或亲水性物质，从而影响抗生素的释放。比如在不影响骨水泥的机械强度的前提下，向PMMA中加入乳糖、甘氨酸可以促进抗生素释放，而加入纤维素则抑制抗生素释放。
Mendez等的研究结果最为显著，其在PMMA中加入聚几内酯(PCL)，在最初的5h内释放了约64%的药物，2个月后约释放了90%的药物。此外还发现如果加入表面活性剂，可以提高抗生素释放量4倍，但降低机械强度。
比较不同种类抗生素与同一品牌抗生素以相同比例复合，发现庆大霉素、万古霉素、妥布霉素的洗脱总量没有显著差异，虽然其分子量相差较大。联合多种抗生素复合骨水泥的研究发现，其抗生素释放存在促进、抑制或无影响三种可能。万古霉素和妥布霉素联合后促进万古霉素的释放，同时减少妥布霉素的释放。万古霉素和庆大霉素联合后抑制万古霉素释放，而不影响庆大霉素释放。
NeutD 等试验了多个联合使用庆大霉素的配方，未发现庆大霉素与林可霉素/夫西地酸有相互影响。目前尚未发现这些抗生素之间相互影响的机制或者一致性规律。此外，一些研究发现物理刺激(压力、中低频超声、连续型超声等)可以促进抗生素释放。认为与压力下微小的断裂(micro-crack)、超声气蚀、局部升温等因素相关。
在其他类型骨水泥复合抗生素的研究中，Hernan-dez-SoriaA等研究了羟基磷灰石(HA)骨水泥(BoneSourceTM)复合万古霉素和妥布霉素的药物动力学规律，发现与PMMA无明显差别。UrabeK比较了磷酸钙(CPC，Biopex)骨水泥和PMMA骨水泥复合万古霉素的洗脱特性，WatermanPM等比较了CPC和PMMA骨水泥复合多粘菌素的洗脱特性，均发现CPC骨水泥在抗生素的释放量和释放时间上优于PMMA骨水泥。 YangXL，Osagie等研究的CPC和CSC复合骨水泥(CERAMENTTM)释放万古霉素的试验，也证实其药物释放量优于PMMA骨水泥。 CPC在药物释放上的优势可能与其有较强的可降解性有关。
抗菌活性
PJI 的难治性在于，致病菌常在人工关节表明形成生物膜，而全身用抗生素很难透过生物膜杀死其覆盖的细菌，所以对AIBC的抗菌活性评价集中在2个方面:(1) 抗菌谱和抗菌活性的变化;(2)能否抑制生物膜形成。在目前发表的研究中，尚未发现抗生素复合后失活或者抗菌谱改变的报告。 Galvez-LopezRA，YuhanChang和Y.Chang等分别研究了万古霉素、莫西沙星、利福平、头孢噻肟、头孢吡肟、氨苄西林、替考拉宁、头孢他啶、亚胺培南、哌拉西林、庆大霉素、妥布霉素分别复合PMMA骨水泥的体外抗菌活性，发现抗生素在与骨水泥复合后并不改变抗菌活性，并且在抗菌活性上，商业成品AIBC和手工混合AIBC无差别。
在生物膜形成的研究中，NeutD等的体外研究表明，AIBC可以有效抑制S.aureus2580和S.2577形成生物膜，联合多药的AIBC效果优于单一药物。vandeBeltH等研究了S.aureusATC12600生物膜形成情况，发现庆大霉素复合骨水泥可以降低20%～25%的生物膜。此外，NeutD和vandeBeltH两人的研究均发现AIBC抑制生物膜的形成与抗生素的释放速率无显著相关性。EnsingGT和CaiXZ对AIBC抑制生物膜形成进行了体内研究，二者都同时对置入部位进行延迟脉冲波超声(DPWU)刺激，结果分别减少了64%的生物膜形成和42%细菌密度。
抗生素复合骨水泥的临床疗效评价
目前AIBC的应用主要在2个方面:(1)初次关节置换时用以预防感染;(2)翻修术时用以治疗感染。由于临床应用AIBC的多样性，以及不同PJI患者应用抗生素的个体化，目前在AIBC的临床疗效评价方面尚无RCT研究。在预防感染方面，目前仅有个别Meta分析报告。
结论
AIBC 是治疗PJI的主要手段，目前在AIBC的研究中积累了大量经验，但缺乏系统性分析，本研究填补了这项空白。从本研究中可以看出，PMMA因为有良好的材料学性质和载药特性，目前仍然是载抗生素研究的热点，但对其药物释放动力学研究仍然缺乏合适的模型，尚需进一步研究。同时，多种因素可影响抗生素复合 PMMA中抗生素释放量，从本研究可看出可降解或亲水性材料可不同程度促进药物释放量，这也是目前研究的热点问题。

此外，联合多种抗生素复合的骨水泥越来越符合临床需要，但联合多种抗生素复合的骨水泥研究发现不同抗生素之间存在相互影响，目前尚需更多的研究。AIBC的体内、体外抗菌活性均证实其可以有效抑制细菌生长和生物膜的形成，近期的Meta分析和队列研究也证实其在预防和治疗PJI方面疗效显著，但要更准确评价其疗效，尚需要更长时间、更大规模的临床研究。