劉拴,張明勇,胡冰(武漢科技大學(xué)附屬天佑醫(yī)院,武漢430064)
葡萄球菌感染的膝關(guān)節(jié)置換兔局部低強(qiáng)度超聲波刺激觀察
劉拴,張明勇,胡冰
(武漢科技大學(xué)附屬天佑醫(yī)院,武漢430064)
目的 觀察葡萄球菌感染的膝關(guān)節(jié)置換兔局部低強(qiáng)度超聲波刺激的效果。方法 清潔級(jí)SD兔40只,采用膝關(guān)節(jié)試件(萬古霉素骨水泥制作)對(duì)兔膝關(guān)節(jié)行膝關(guān)節(jié)置換,術(shù)后隨機(jī)分為觀察組和對(duì)照組各20只。術(shù)后第3 天取兩組兔于膝關(guān)節(jié)處緊貼膝關(guān)節(jié)后方穿刺注射金黃色葡萄球菌菌液0.1 mL1次后,觀察組予低強(qiáng)度超聲輻射,1次/d,連續(xù)5 d。對(duì)照組不做任何處理。 術(shù)后第7天,采集兩組頸動(dòng)脈血檢測兩組血清萬古霉素。術(shù)后第30 天觀察兩組膝關(guān)節(jié)炎癥情況,術(shù)后第30 天處死兔,觀察膝關(guān)節(jié)液金黃色葡萄球菌培養(yǎng)情況,觀察膝關(guān)節(jié)滑膜組織感染情況。結(jié)果 術(shù)后第7天觀察組、對(duì)照組血清萬古霉素水平分別為(60.23±8.36)、(40.36±6.28)mmol/L,兩組比較,P<0.05。術(shù)后第30天時(shí)觀察組、對(duì)照組炎癥評(píng)分分別為(2.13±0.08)、(3.12±1.02)分,兩組比較,P<0.05。觀察組對(duì)照組膝關(guān)節(jié)附近、關(guān)節(jié)腔內(nèi)均可見炎癥,但觀察組炎癥范圍信號(hào)低,范圍小。觀察組金黃色葡萄球菌生長較少,甚至沒有菌落生長,對(duì)照組可見大量淡黃色的陽性葡萄球菌菌落。術(shù)后第30天時(shí)觀察組、對(duì)照組感染評(píng)分分別為(2.23±0.79)、(4.84±0.13)分,兩組比較,P<0.05。結(jié)論 局部低強(qiáng)度超聲波刺激可防治膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后早期感染。
膝關(guān)節(jié)植入術(shù);低強(qiáng)度超聲;抗生素骨水泥;感染
膝關(guān)節(jié)置換術(shù)[1]是在人工髖關(guān)節(jié)置換成功應(yīng)用于臨床后發(fā)展起來的治療膝關(guān)節(jié)疾病的新技術(shù),目前已廣泛應(yīng)用于臨床治療中。膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染是其嚴(yán)重并發(fā)癥,一旦發(fā)生可延長患者術(shù)后康復(fù)時(shí)間,使患者遺留不同程度的關(guān)節(jié)活動(dòng)受限[2]。具有抗菌能力的骨組織工程修復(fù)材料-抗生素骨水泥[3]已被應(yīng)用于預(yù)防膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后早期感染[4,5]。研究[6]發(fā)現(xiàn),葡萄球菌是導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)假體感染的相關(guān)菌群,具有高耐藥性(50%耐慶大霉素)。萬古霉素屬于糖肽類大分子抗生素,對(duì)革蘭陽性菌具有較強(qiáng)的殺傷力,且治療過程中不良反應(yīng)較少[7]。但抗生素釋放能力不穩(wěn)定[8]。萬古霉素骨水泥的體外釋放率僅為15%左右[9,10]。提高抗生素骨水泥的釋放率,以便更好控制膝關(guān)節(jié)術(shù)后早期感染具有重要的臨床研究意義。低強(qiáng)度超聲在促進(jìn)藥物靶向釋放上具有明顯優(yōu)勢,可促進(jìn)小分子物質(zhì)穿透多孔膜[11~13],但目前關(guān)于其促滲作用的研究報(bào)道較少。2014年1月~2016年2月,我們觀察了葡萄球菌感染的膝關(guān)節(jié)置換兔局部低強(qiáng)度超聲波刺激的效果?,F(xiàn)將結(jié)果報(bào)告如下。
1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、試劑及儀器 8周齡清潔級(jí)SD兔40只,雌雄不限,體質(zhì)量(250±10)g[許可證號(hào):SCXK(粵)2015-0020]。實(shí)驗(yàn)過程對(duì)動(dòng)物的處置符合動(dòng)物倫理學(xué)要求。聚甲基丙烯酸甲酯粉末、固化液購自美國Sigma公司;萬古霉素購自浙江醫(yī)藥股份有限公司新昌制藥廠;骨試件模具購自武漢博士德生物有限公司; 磁力攪拌器購自蘇州凈化公司。40只兔常規(guī)喂養(yǎng)1周后采用膝關(guān)節(jié)試件[14,15](將40 g聚甲基丙烯酸甲酯粉末及3 g萬古霉素放置于密閉容器內(nèi),磁力攪拌器充分?jǐn)嚢韬蠡旌?0 min,加入固化液20 g,充分?jǐn)嚢?0 min,將攪拌物注入到骨試件模具中鑄型,室溫下放置1 h,400 mg/L環(huán)氧乙烷消毒后保存,備用)對(duì)兔膝關(guān)節(jié)行膝關(guān)節(jié)置換術(shù)。術(shù)后將40只兔隨機(jī)分為觀察組和對(duì)照組,每組各20只,自由喂養(yǎng),備用。
1.2 膝關(guān)節(jié)置換兔葡萄球菌感染方法及低強(qiáng)度超聲干預(yù)方法 置換術(shù)后第3 天取兩組兔,于膝關(guān)節(jié)處緊貼膝關(guān)節(jié)后方穿刺注射金黃色葡萄球菌菌液0.1 mL。術(shù)后第3天觀察組予低強(qiáng)度超聲輻射,探頭對(duì)準(zhǔn)兔局部的膝關(guān)節(jié),緊貼皮膚,30 min/次,輸出聲強(qiáng)300 mW/cm2,輸出頻率25 kHz,1次/d,連續(xù)5 d。對(duì)照組不做任何處理。
1.3 兩組血清萬古霉素水平檢測 于造模第7天,取兩組兔,采集頸動(dòng)脈血5 mL,3 000 r/min離心5 min,取上清,采用免疫偏振熒光法檢測兩組血清萬古霉素水平,測定范圍在0~100 μg/mL。
1.4 兩組膝關(guān)節(jié)炎癥程度觀察 造模第30 天取兩組實(shí)驗(yàn)兔,對(duì)膝關(guān)節(jié)矢狀面、橫斷面進(jìn)行MRI檢查,觀察兩組膝關(guān)節(jié)炎癥情況,根據(jù)Lazaerttos制定的炎癥表現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)[16]評(píng)估兩組膝關(guān)節(jié)炎癥程度,主要包括情緒、體溫升高、患側(cè)壓痛、組織膿腫形成、體質(zhì)量下降。出現(xiàn)1項(xiàng)上述癥狀記1分,總分最高為5分,最低為0分。
1.5 兩組膝關(guān)節(jié)液金黃色葡萄球菌培養(yǎng)菌落生長情況觀察 造模第30 天10%采用苯巴比妥鈉處死兩組兔,抽取膝關(guān)節(jié)液100 μL,觀察膝關(guān)節(jié)液金黃色葡萄球菌培養(yǎng)情況:將關(guān)節(jié)液接種至培養(yǎng)基上培養(yǎng)48~72 h,記錄兩組金黃色葡萄球菌落的生長情況。
1.6 兩組膝關(guān)節(jié)滑膜組織感染情況觀察 取“1.4”中膝關(guān)節(jié)滑膜組織1~2 g,PBS 10 mL沖洗,勻漿器處理,多聚甲醛固定,石蠟包埋、切片,行HE染色,顯微鏡下采用Riegels-Nieiesn的感染診斷標(biāo)準(zhǔn)[17,18]觀察膝關(guān)節(jié)滑膜組織炎癥表現(xiàn)。按照鏡下組織炎癥情況計(jì)分,發(fā)現(xiàn)陽性計(jì)1分,每組取5個(gè)組織標(biāo)本,最低分為0分,最高分為5分。
2.1 兩組血清萬古霉素水平比較 造模第7天觀察組、對(duì)照組血清萬古霉素水平分別為(60.23±8.36)、(40.36±6.28)mmol/L,兩組比較,P<0.05。
2.2 兩組膝關(guān)節(jié)炎癥情況比較 造模第30天時(shí)兩組手術(shù)切口均愈合。造模第30天時(shí)兩組膝關(guān)節(jié),兩組膝關(guān)節(jié)炎癥情況見圖1。觀察組、對(duì)照組膝關(guān)節(jié)附近、關(guān)節(jié)腔內(nèi)均可見炎癥,但觀察組炎癥范圍信號(hào)低,范圍小。造模第30天時(shí)觀察組、對(duì)照組炎癥評(píng)分分別為(2.13±0.08)、(3.12±1.02)分,兩組比較,P<0.05。
2.3 兩組膝關(guān)節(jié)液金黃色葡萄球菌培養(yǎng)情況 觀察組金黃色葡萄球菌生長較少,甚至沒有菌落生長,對(duì)照組可見大量淡黃色的陽性葡萄球菌菌落。
2.4 兩組膝關(guān)節(jié)滑膜組織感染情況比較 造模第30天時(shí)觀察組、對(duì)照組感染評(píng)分分別為(2.23±0.79)、(4.84±0.13)分,兩組比較,P<0.05。造模第30天時(shí)兩組膝關(guān)節(jié)滑膜組織感染情況見圖2。
注:A對(duì)照組可見膝關(guān)節(jié)附近、關(guān)節(jié)腔炎癥表現(xiàn),炎癥范圍信號(hào)強(qiáng),炎癥范圍大;B觀察組可見可見膝關(guān)節(jié)附近、關(guān)節(jié)腔炎癥表現(xiàn),炎癥范圍信號(hào)低,炎癥范圍小。
圖1 造模第30天時(shí)兩組膝關(guān)節(jié)MRI圖像
注:A對(duì)照組,可見組織水腫充血,淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞彌漫分布;B觀察組,可見組織炎癥細(xì)胞較少。
圖2 造模第30天時(shí)兩組膝關(guān)節(jié)滑膜組織HE染色
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全球約5%膝關(guān)節(jié)置換術(shù)患者術(shù)后發(fā)生假體移植相關(guān)感染,導(dǎo)致嚴(yán)重并發(fā)癥或手術(shù)失敗[19]??股毓撬嘧鳛榫植垦b載藥物緩釋作用系統(tǒng)被應(yīng)用與人工置換假體置入,對(duì)術(shù)后假體相關(guān)感染起到了積極的控制作用,但是其抗生素藥物釋放效果有待于進(jìn)一步研究[20]。研究發(fā)現(xiàn),低強(qiáng)度超聲系統(tǒng)可通過空化效應(yīng)產(chǎn)生微聲流、機(jī)械傳感、溫?zé)嵝?yīng)對(duì)抗生素骨水泥藥物釋放具有促進(jìn)作用,同時(shí)研究[21]發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致假體相關(guān)感染的葡萄球菌對(duì)廣譜抗生素慶大霉素具有較高的耐藥性,而萬古霉素對(duì)創(chuàng)傷感染革蘭陽性菌具有極強(qiáng)的殺菌抑菌作用,且耐藥性較低,全身毒副反應(yīng)較少[22]。因此,萬古霉素是目前假體置換抗生素骨水泥的首選藥物??股毓撬嘤捎诮Y(jié)構(gòu)致密,在藥物釋放上受到一定的限制,抗生素難以溶出,因此促進(jìn)抗生素釋放增加孔隙的藥物溶出率,提高抗生素骨水泥抗生素所載抗生素的能力,顯得尤為關(guān)鍵,目前多數(shù)研究僅為體外研究,體內(nèi)釋放作用并不明確。
低強(qiáng)度脈沖超聲是一種經(jīng)皮傳遞的非侵入性的機(jī)械能,是一種頻率低,功率小的超聲波。其在生物器官內(nèi)產(chǎn)生高頻聲壓波。既往研究發(fā)現(xiàn),低強(qiáng)度超聲在促進(jìn)藥物靶向釋放上具有明顯優(yōu)勢,可促進(jìn)小分子物質(zhì)穿透多孔膜[11~13]。 本研究我們觀察了葡萄球菌感染的膝關(guān)節(jié)置換兔局部低強(qiáng)度超聲輻射的效果,結(jié)果顯示造模第7天觀察組血清萬古霉素濃度高于對(duì)照組,說明低強(qiáng)度超聲可提高細(xì)胞通透性,在作用抗生素骨水泥局部,提高了血藥濃度,以低強(qiáng)度連續(xù)頻率為超聲作為干預(yù)手段,大大提高了藥物釋放的濃度,加速早期釋放,發(fā)揮生物聲學(xué)效應(yīng)。對(duì)照組膝關(guān)節(jié)液細(xì)菌培養(yǎng)出現(xiàn)大量淡黃色的葡萄球菌菌落,觀察組菌落生長較少,甚至沒有菌落生長。HE染色光學(xué)顯微鏡發(fā)現(xiàn)對(duì)照組樣本普遍發(fā)現(xiàn)組織水腫充血,彌漫分布淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞;而觀察組鏡下可見組織炎癥細(xì)胞較少,甚至沒有發(fā)現(xiàn)炎癥細(xì)胞。猜測低強(qiáng)度超聲干預(yù)輔助萬古霉素對(duì)兔膝關(guān)節(jié)置換處早期感染的預(yù)防作用可能機(jī)制為:大劑量抗生素釋放后,低強(qiáng)度超聲可抑制一般無法徹底清除的懸浮細(xì)菌及黏附細(xì)菌的增殖,促進(jìn)萬古霉素穿過細(xì)菌的細(xì)胞膜,加強(qiáng)抗生素局部應(yīng)力,最終增強(qiáng)萬古霉素的殺菌作用;另外在體內(nèi)間隔較短的時(shí)間采用低強(qiáng)度超聲,增加局部的藥物濃度,在用藥的早期發(fā)揮殺菌作用,縮短局部無效抑菌濃度的時(shí)間,減少耐藥菌出現(xiàn)的可能性。
綜上所述,低強(qiáng)度超聲輻射對(duì)葡萄球菌感染的膝關(guān)節(jié)置換兔局部感染具有防治作用。
[1] Djurasovic M, Glassman SD, Carreon LY, et al. Contemporary Management of Symptomatic Lumbar Spinal Stenosis[J]. Orthop Clin north Am, 2010,41(2):42-43.
[2] Tumialan LM, Ponton RP, Riccio AL, et al. Rate of return to military active duty after single level lumbar interbody fusion:a 5-year retrospective review[J]. Neuro Surg, 2012,71(2):317-324.
[3] Felson DT. Arthroscopy as a treatment for knee osteoarthritis[J]. Best Pract Res Clin Rheumatol, 2010,5(1):47-50.
[4] Kim HJ, Bak KH, Chun HJ, et al. Posterior interspinous fusion device for onelevel fusion in degenerative lumbar spine disease:comparison with pedicle screw fixation. Preliminary report of at least one year follow up[J]. J Korean Neurosurg Soc, 2012,52(4):395-364.
[5] Djurasovic M, Glassman SD, Carreon LY, et al. Contemporary Management of Symptomatic Lumbar Spinal Stenosis[J]. Orthop Clin North Am, 2010,41(2):42-43.
[6] Tumialan LM, Ponton RP, Riccio AL, et al. Rate of return to military active duty after single level lumbar interbody fusion:a 5-year retrospective review[J]. Neuro Surg, 2012,71(2):317-324.
[7] Chen M, Chen R, Xiong J, et al. Evaluation of different moxibustion doses for lumbar disc herniation:multicentre randomised controlled trial of heat-sensitive moxibustion therapy[J]. Acupunct Med, 2012,30(4):266-272.
[8] Felson DT. Arthroscopy as a treatment for knee osteoarthritis[J]. Best Pract Res Clin Rheumatol, 2010,5(1):47-50.
[9] Rackwitz L, Eden L, Reppenhagen S, et al. Stem cell-and growth factor-based regenerative therapies for avascular necrosis of the femoral head[J]. Stem Cell Res Ther, 2012,3(1):7.
[10] Helbig L, Simank HG, Kroeber M, et al. Core decompression combined with implantation of a demineralised bone matrix for non-traumatic osteonecrosis of the femoral head[J]. Arch Orthop Trauma Surg,2012,132(8):1095-1103.
[11] Liu Y, Liu S, Su X. Core decompression and implantation of bone marrow mononuclear cells with porous hydroxylapatite composite filler for the treatment of osteonecrosis of the femoral head[J]. Arch Orthop Trauma Surg, 2013,133(1):125-133.
[12] Chen CH, Chang JK, Lai KA, et al. Alendronate in the prevention of collapse of the femoral head in nontraumatic osteonecrosis:a two-year multicenter, prospective,randomized, double-blind, placebo-controlled study[J]. Arthritis Rheum, 2012,64(5):1572-1578.
[13] Peled E, Bejar J, Barak M, et al. Core decompression and alendronate treatment of the osteonecrotic rat femoral head:computer-assisted analysis[J]. Int J Exp Pathol, 2013,94(3):212-216.
[14] Kim HJ. Autologous adipose tissue-derived stem cells induce persistent bone-like tissue in osteonecrotic femoral heads:not bone-like,but fat-like tissue[J]. Pain Phy, 2012,15(5):749-752.
[15] Kaushik AP, Das A, Cui Q. Osteonecrosis of the femoral head:An update in year 2012[J]. World J Orthop,2012,3(5):49-57.
[16] Witasp A, Carrero JJ, Heimburger O, et al. Increased expression of pro-inflammatory genes in abdominal subcutaneous fat in advanced chronic kidney disease patients[J]. J Intern Med, 2011,26(9):410-419.
[17] Pauyo T.Management of femoral neck fractures in the young patient:A critical analysis review[J]. World Jour Orth Pedics,2014,5(3):204.
[18] Wang W, Wu JJ, Xu ZW, et al. Open reduction and closed reduction internal fixation in treatment of femoral neck fractures:a meta-analysis[J]. BMC Muscul Disord, 2014,30(15):167.
[19] Elmi A. Long-Term Follow-Up Results of Delayed Fixation of Femoral Neck Fractures in Adults[J]. Trauma Monthly, 2013,18(1):8-11.
[20] Bishop JA, Behn AW, Castillo TN,et al.The Biomechanical Significance of Washer Use With Screw Fixation[J]. Jour Orthop Trauma, 2014,28(2):114-117.
[21] Thomas A, Mason F, Deshpande S, et al. An unusual presentation of femoral neck fracture in a young patient[J]. Jour Surg Case Rep, 2014,(12):123-125.
[22] 李長簽,叢海波,杜全紅,等.抗生素骨水泥鏈珠在創(chuàng)傷性骨髓炎治療中的應(yīng)用[J].山東醫(yī)藥,2014,54(6):59-61.
胡冰(E-mail: 897138981@qq.com)
10.3969/j.issn.1002-266X.2017.07.013
R31
A
1002-266X(2017)07-0043-03
2016-05-23)