低频超声增强抗生素抗菌疗效研究进展

参考文献
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能成为治疗人工关节置换术后感染的有效方法。但是， 超声对人工关节一骨水泥界面、骨水泥一骨界面力学的影 响，以及是否会降低植入人工关节的稳定性，仍需进一步 研究明确。 综上所述，超声联合抗生素治疗有着巨大的潜力。 首先，抗生素和超声技术在临床上均已广泛普及，超声已 安全应用于影像、外科、实验室等众多领域，抗生素则有 着数１０年临床治疗史，两者都容易被医患双方接受；其 次，超声是一种廉价的无创技术，可较好地实现靶向治 疗，增强抗生素的局部效能，从而降低全身毒副反应。
细菌得到必要的氧分子和营养物质，致使低代谢细菌从 “冬眠”中复苏，恢复对抗生素的敏感性。这一机制可能 起着更为主要的作用。 Ｑｉａｎ等［１７１用共聚焦激光扫描显微镜发现超声辐照 组和对照组的生物膜结构无明显差异。由于生物膜胞外 基质为非液态，空化效应被大大弱化，低强度超声可能并 不改变生物膜细菌胞外基质结构。然而，生物膜内细菌 有细胞液，超声作用后可在细菌内部产生空化效应，因此 “声孔效应”很可能存在于细菌胞液内。由于扫描电镜和 共聚焦显微镜无法观察到生物膜内深部细菌细胞膜的形 态变化，该领域仍有待进一步研究。 ２．４超声对基因表达影响 基因水平的研究是生物膜耐药性研究的热点之一。 有研究Ｅ１２］在经超声辐照的活体细胞内观察到微射流及转 动的细胞器和空泡。超声辐照可显著提高基因的细胞转 染率，并对细胞活性无抑制作用［１８］。空化效应时，振动微 泡周围产生的局部热效应很可能加快了细胞内生化反应 速度［１引。上述研究结果提示，超声可能影响细胞基因表 达和细胞器的生物活性，促进抗生素与靶点结合，影响耐 药相关基因表达和蛋白质合成，并由此改变细菌生长速 率和耐药性能等生物学活性。
随着生物材料技术的不断发展，人工关节植入物越 来越多地应用于临床，旨在解除患者疾病，改善生活质 量。人工关节置换术可有效减缓患者疼痛并改善关节活 动度，是骨关节疾病首选的手术治疗方法。然而，生物材 料相关性感染的发生却给医疗资源带来沉重的负担，其 发生率虽不到１％，但在美国每年至少要为此支付数亿美 元的医疗费用［１］。生物材料相关性感染的病原菌主要以 细菌生物膜（以下简称生物膜）的形式存在，是被多聚糖 和蛋白质基质黏液包围的细菌聚合物乜］。由于生物膜的 高耐药性，传统的临床抗感染治疗极难将其清除，故一旦 发生感染，只能行关节翻修手术治疗。 生物膜的耐药性与多种机制相关。２０世纪八九十 年代，大多数学者将生物膜的高耐药性归因于药物的低 扩散性，生物膜作为屏障可降低抗生素的扩散速度。然 而，Ａｎｄｅｒｌ等口３研究发现，尽管环丙沙星和氨苄西林可穿 透缺乏伊内酰胺酶肺炎杆菌的整个生物膜，但细菌对它 们仍不敏感。可见，药物低扩散性并非生物膜高耐药性 的主要机制。生物膜高耐药性与细菌的低代谢状态相 关［２］。生物膜可延缓氧分子和营养物质扩散，使细菌进 入生长静止状态，导致耐药性明显增高［４］。当生物膜细 菌重新获得营养和氧分子后，它们对抗生素的敏感性可 得到恢复［５］。此外，生物膜内的生长环境可引发细菌基 因表达改变，从而影响细菌的耐药性。生物膜细菌可高 表达争内酰胺酶相关基因序列两］。Ｚｈａｎｇ等［７］研究发现， 绿脓杆菌形成生物膜后可高表达外排泵基因ＰＡｌ８７４ －１８７７，而将该组基因删除后，细菌耐药性明显下降。 大量研究睁１１］证实，低频低强度超声在不影响细菌生 长活性的同时，可增强抗生素的抗菌效力。Ｐｉｔｔ等Ｈ］１９９４ 年首次证实，低频超声可显著增强庆大霉素对大肠杆菌
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低频超声增强抗生素抗菌疗效研究进展
朱晗晓蔡迅梓严世贵
摘要人工关节置换术后深部感染的治疗难度极大。感染的细菌生物膜的高耐药性很可能与细茵 低代谢状态和基因表达异常相关。低频超声可增强抗生素对悬浮茵和生物膜的抗茵效力，主要机制可能 是稳态空化效应。该效应促进营养物质在生物膜内扩散，使生物膜内细菌恢复对抗生素的敏感性；促进 细菌细胞膜临时通道形成，使抗生素快速穿透细胞膜，增强抗生素对悬浮茵的抗茵效力；影响细菌基因表 达而改变细茵耐药性能。低频间断脉冲超声可显著延长载万古霉素骨水泥的最低抑茵浓度持续时间，增 强其抗茵疗效，且不增加茵血症、皮肤烧伤及药物毒副反应等风险。超声生物效应机制目前仍不明确，但 超声因其安全无创、具靶向功能、廉价等优势而有着巨大的发展潜力。该文就低频超声增强抗生素抗茵 疗效的研究进展作一综述。 关键词关节置换术后感染；细菌生物膜；耐药；超声；空化效应；声孔效应；抗生素骨水泥
和绿脓杆菌的抗菌作用。Ｅｎｓｉｎｇ等一１研究发现，超声可 增强庆大霉素对骨水泥表面生物膜的抗菌作用。Ｃａｒｍｅｎ 等Ｌｌ岫研究发现，超声可增强万古霉素对动物体内表面葡 萄球菌生物膜的抗菌效力。有学者［２］将超声增强抗生素 抗菌作用的效应概括为“声学生物效应（ｂｉｏａｃｏｕｓｔｉｃ
ｅｆｆｅｃｔ）”。
１低频超声生物学机制 １．１超声热效应 超声传播时，由于介质吸收和散射作用，其能量逐渐 衰减，散射声波改变传播方向。被介质吸收的超声能量， 有部分转化成热能。当热能积聚速率超过散热速率时， 介质温度可逐渐上升。 １．２超声非热效应 超声非热效应主要包括声压波和空化效应。声压波 是指声波在液体中传播时，声能引起液体沿着声波方向 产生层流。超声强度越大，声压波强度越大，层流速度越 快，该速度可达１４ ｃｍ／ｓ［“］。任何超声都可产生声压波。 空化效应的主要机制是高、低声压周期性变化引起液体 内微泡交替性膨胀和压缩，它是超声生物效应的主要机 制。空化过程可分为瞬间空化和稳态空化。瞬间空化是 指在较高强度超声作用下，微泡急剧膨胀和压缩，压缩阶 段微泡直径可极度接近于０，并发生爆裂。爆裂的微泡周 围可产生局部５０００ Ｋ高温和１０００倍物理大气压的冲击 波口引，局部高温高压还可分解水分子产生氧自由基。这 一系列极端条件，可导致细菌解体而直接杀灭细菌ｕ引。 目前高强度（＞２ ｗ／ｃ矗）和低频率（（１００ ｋＨｚ）超声被广 泛用于清洗器皿和仪器等，这主要是瞬间空化效应的作 用。当超声强度较低，微泡在压缩阶段体积逐渐缩小，但 不发生爆裂时，即为稳态空化。微泡半径分布在几微米 至几千微米之间，可绕平衡半径作振动。振动的微泡可 产生微射流和剪切力，两者促进小分子物质穿透活体细 胞膜及界膜ｍ］。在稳态空化效应中，增加微泡数量和振 动幅度均可增强层流效果，加速液体中物质的运输。有
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超声与抗生素骨水泥 人工关节置换术后感染的推荐治疗方法是采用载抗
生素骨水泥（ＡＩ
ＢＣ）来施行翻修术。ＡＩ腕中抗生素可
顺着浓度梯度有限地释放，使局部抗生素浓度较高，达到 局部抗菌疗效，并避免全身用药的毒副反应，降低药物对 血液、肝肾功能等的影响。但ＡＩ．ＢＣ中抗生素的不稳定 释放及低释放率，不但影响抗菌疗效，而且增加细菌耐药 性的发生率。据文献［１９］报道，翻修术后感染的复发率仍 可高达１３％－－－２１％。一项体外和动物试验研究［２０］发现， 连续低频超声可增强局部抗菌疗效，且不增加体内菌血 症、局部烧伤以及万古霉素肾毒性的风险。研究［２圮表明， 手术１２ ｈ后行连续超声辐照取得的抗菌疗效优于手术后 即刻行超声辐照，即延迟超声可获得更长的最低抑菌浓 度持续时间（Ｔ＞Ⅶｃ）。由于万古霉素的抗菌性能呈时间 依赖性，因此Ｔ＞Ⅶｃ延长可提高抗菌疗效并减少耐药菌的 发生。超声空化效应和声压波产生的微射流在骨水泥 一溶液界面形成剪切力，以利于ＡＩ，Ⅸ：表面药物游离溶 出。由于术后前１２ ｈ内局部渗血等原因会降低局部抗生 素浓度，故延迟超声辐照可获得更好的药物释放效果。 研究［２２３发现，间断脉冲超声较连续超声可进一步显著延 长抗生素Ｔ＞眦。该机制可能是行连续超声辐照时，固定 方向持续的声压波会使空隙内药物难以溢出。间断超声 的声压波呈间歇性，有声压波作用时，溶液进入空隙内并 使药物溶解；无声压波作用时，空隙内药物可顺浓度梯度 向外扩散。此外，超声在增加抗生素释放的同时，还可增 强已释放抗生素的抗菌性能∞］，两者协同作用则可进一 步增强ＡＬＢＣ的抗菌效能。因此，超声联合ＡＬＢＣ有可
基金项目：国家自然科学基金（３０８７２６４３）、浙江省科技厅重点科研项
目（２００５（２．３０３９）
作者单位：３１０００９杭州。
浙江大学医学院附属第－－Ｉｌｉ院骨科
万方数据
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研究［１３３表明，提高超声频率，超声增强抗生素的抗菌效力 减弱；提高超声强度，该效力则增强，表现为强度依赖性。 这与稳态空化机制相符，即低频高强度超声的空化效应 更明显。 ２超声增强抗生素抗茵效力机制 ２．１超声热效应与瞬间空化效应 现有研究报道证实，超声热效应与超声增强抗生素 抗菌效力无明显相关性。首先，体外实验中，恒温状态消 除了热效应的影响；其次，动物实验中，超声探头部位的 散热器使得实验过程中局部皮温保持在３７℃左右，该温 度对细菌活性无明显影响，且对皮肤软组织无明显损 伤［９］。瞬间空化的极端条件可直接杀灭细菌，但低强度 超声单独作用于悬浊菌液或生物膜时，则无明显杀菌作 用，反而有促进细菌生长的可能［１１‘。因此，瞬间空化很可 能并非超声增强抗生素抗菌效力的主要机制。 ２．２超声对悬浮菌作用机制 超声增强抗生素对悬浮菌抗菌效力的机制仍不明 确。超声可能改变细菌细胞膜的渗透性，使更多抗生素 进入细菌，从而增强抗菌效力，但尚未得到文献证实。有 研究发现，超声可改变活体正常细胞的细胞膜形态。Ｌｉｕ 等Ｌ１２０用电镜扫描经超声辐照后的人早幼粒白血病细胞 ＨＬ－６（），发现这些细胞膜上出现大量小孔，并将此称为“声 孔效应（ｓｏｎｏｐｏｒａｔｉｏｎ）”。“声孔效应”是空化效应产生的 冲击波、微射流对细胞膜作用的结果，当它增强到一定程 度时，可导致细胞死亡。ｖａｎ Ｗａｍｅｌ等［１４］用高频摄像仪 发现小孑Ｌ可对大分子物质暂时开放，并随后闭合。Ｐｉｔｔ 等Ｌ４３研究发现，超声可增强抗生素的抗菌效力，但若将悬 浊菌液经超声辐照之后再加入抗生素，抗菌效力则未能 增强；结果提示低强度超声对细菌耐药性的影响是暂时 而可逆的。若假设超声辐照悬液细菌时“声孑Ｌ效应”同样 存在，那么Ｐｉｔｔ等的发现则可得到较好的解释，即超声空 化效应导致细菌细胞膜产生“临时通道”，抗生素可加速 通过该通道而增强杀菌作用；超声辐照一旦停止，“ｌ临时 通道”迅速闭合，细胞膜又恢复至原状。单独超声辐照作 用可提高细菌的生长速率［１“，其机制可能为：当细菌周围 不存在抗生素时，“临时通道”主要被营养物质加速利用； 由此促进细菌生长。超声作用于细菌时，“声孔效应”很 可能同样存在。 ２．３超声对生物膜作用机制 超声增强抗生素对生物膜抗菌效力的机制可能主要 与稳态空化效应和声压波相关，两者产生的层流可加快 小分子物质运输。Ｔｒｅａｔ等Ｄ５］发现超声可软化血脑屏障 而促进药物穿透，并认为这一技术安全无刨。Ｃａｌ＇ｌｎｅｎ 等［１６１研究发现超声可加快抗生素在生物膜内的扩散速 率。但是。抗生素的低扩散性并非生物膜耐药性高的主 要因素。因此，超声加快抗生素扩散速率并非抗菌效力 增强的主要原因。超声促进氧分子和营养物质在生物膜 中穿透，同时加快细菌代谢产物排出凸］，使“饥饿”状态的