人工関節置換術における感染性合併症発症のいくつかの側面

股関節置換手術は、重度の股関節疾患に対する外科的治療において、主要な位置を占めています。この手術は、疼痛の除去または大幅な軽減、関節可動域の回復、肢体の支持、歩行の改善をもたらし、結果として患者の生活の質を大幅に向上させます。しかし、あらゆる外科的治療には様々な合併症が生じる可能性があり、その一つが感染症です。文献によると、大規模な関節置換手術を行い、年間100件以上の手術を行っている整形外科センターでは、1年目の感染合併症発生率は17%ですが、2年目には5%、3年目には3%と減少し、平均4%にまで低下することがあります。

大関節内人工関節における感染性合併症の問題は、抗生物質予防法や最新の外科的消毒法の積極的な活用にもかかわらず、日々深刻化しています。これは、人工関節置換術を行う施設数の増加、病原体同定の難しさ、治療の複雑さ、そして合併症の重篤化によるものです。これらすべてが、最終的には治療効果の悪化、患者の術後リハビリテーションの費用と期間の増加につながります。

この問題は、特に高齢患者の場合、全身状態によっても引き起こされます。高齢患者の場合、感染症と闘うことが非常に困難です。免疫抑制状態は、長期にわたる重篤な外科的介入による二次的な免疫不全、組織破壊産物の血中への侵入、そして高齢患者の免疫システムの加齢に伴う特徴によって引き起こされます。

人工関節置換術の増加とリハビリテーションの可能性の高さは、外科的介入部位における深部感染症の増加を伴っており、国内外の研究者によると、一次介入では0.3～1%、再置換では最大40%以上に上ります。このような感染性合併症の治療は長期にわたるプロセスであり、高価な薬剤や材料の使用を必要とします。かつては、感染部位に人工関節を埋め込むことは絶対に許されないと考えられていました。しかし、インプラントに関連する感染の病態生理学の理解の深まりと外科手術技術の進歩により、このような状況でも人工関節の成功が可能になりました。

多くの外科医は、人工関節部品の除去と創傷の慎重な外科的処置が患者治療の重要な初期段階であることに同意しています。しかし、痛みを伴わず、感染再発のリスクを最小限に抑えながら関節の機能状態を回復させる方法については、依然としてコンセンサスが得られていません。

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バイオフィルム形成の段階

ステージ1：表面への可逆的な付着。微生物は、多くの場合、浮遊する塊または単独の（例えばプランクトンのような）コロニーとして存在します。しかし、通常の条件下では、ほとんどの微生物は表面に付着し、最終的にはバイオフィルムを形成する傾向があります。

ステージ2：表面への恒久的な付着。細菌は増殖するにつれて、表面にさらに強固に付着し、分化して遺伝子を交換し、生存を確保します。

ステップ3：粘液保護マトリックス／バイオフィルムの形成。細菌はしっかりと付着すると、細胞外高分子物質として知られる細胞外多糖類を包むマトリックスを形成し始めます。これがEPSマトリックスです。その後、細菌の小さなコロニーが最初のバイオフィルムを形成します。EPSマトリックスの組成は、存在する微生物の種類によって異なりますが、一般的には多糖類、タンパク質、糖脂質、細菌DNAが含まれます。様々なタンパク質と酵素が、バイオフィルムが創傷床にしっかりと付着するのを助けます。完全に形成された（成熟した）バイオフィルムは、プランクトン状の細菌、微小コロニー、断片を絶えず放出します。これらの細菌は、創傷床の他の部分や他の創傷表面に分散して付着し、新たなバイオフィルムコロニーを形成します。

バイオフィルムはどのくらい早く形成されるのでしょうか?

実験室での研究では、ブドウ球菌、連鎖球菌、緑膿菌、大腸菌などのプランクトン性細菌は通常、次のような特徴を持つことがわかっています。

1. 数分以内に相互に参加します。
2. 2～4 時間以内にしっかりと付着した微小コロニーを形成します。
3. 細胞外多糖類を生成し、6～12 時間以内に抗生物質、防腐剤、消毒剤などの殺生物剤に対する耐性が大幅に高まります。
4. 本格的なバイオフィルムコロニーを形成しており、殺生物剤に対する耐性が非常に高く、細菌の種類や生育条件に応じて 2 ～ 4 日以内にプランクトン細菌が失われます。
5. 創傷は機械的破壊から急速に回復し、24時間以内に成熟したバイオフィルムを再形成します。これらの事実は、複数回の連続した創傷洗浄によって、例えば24時間未満といった短期間で、創傷内のプランクトン性微生物とバイオフィルム内病原体細胞の両方に対する抗菌治療が最も効果的となる可能性があることを示唆しています。

微生物バイオフィルムが見えますか？

バイオフィルムは微細な構造です。しかし、状況によっては、長期間放置されたまま増殖すると、肉眼で確認できるほど高密度になります。例えば、歯垢は蓄積し、1日以内にはっきりと見えるようになります。バイオフィルム表現型の細菌の中には、バイオフィルム全体の視覚的検出を容易にする色素を産生するものがあります。例えば、バイオフィルム表現型の緑膿菌は、「クォラムセンシング」システムにおいて緑色の分子ピオシアニンを産生します。しかし、この場合でも、創傷が緑色に染まったからといって、必ずしもPseudomonas属によって形成されたバイオフィルムの存在を示すわけではありません。

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かさぶたの中にバイオフィルムは見つかりますか？

痂皮は創傷床の厚く黄色く、比較的暗い層として説明されますが、創傷に見られるバイオフィルムはよりゼラチン状で明るい色調を呈します。しかしながら、バイオフィルムと痂皮の間には関連性がある可能性があります。バイオフィルムは炎症を刺激し、血管透過性、創傷滲出液の形成、そしてフィブリン痂皮の形成を促進します。したがって、痂皮の存在は、創傷にバイオフィルムが存在することを示唆している可能性があります。しかしながら、慢性創傷における痂皮とバイオフィルムのこのような関連性については、より徹底的な研究が必要です。

現在、微生物バイオフィルムの存在を確認するための最も信頼性の高い方法は、共焦点レーザー走査顕微鏡などの特殊な顕微鏡検査です。

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分類

効果的な分類を用いることは、合理的な治療法を選択し、その結果を比較する上で重要です。多様な分類システムが提案されているにもかかわらず、人工関節周囲感染症の診断とその後の治療を構築するための国際的に認められた単一のシステムは存在せず、人工関節置換後の感染性合併症の治療は標準化されていません。

人工股関節全置換術後の深部感染症の最も一般的な分類は、MB Coventry (1975) - RH Fitzgerald (1977) によるものです。主な分類基準は、感染発現時期（手術から感染プロセスの最初の発現までの時間間隔）です。この基準に基づいて、著者らは深部感染症の3つの主要な臨床型を提案しました。1996年に、DT Tsukayamaらは、術中培養陽性と定義されるタイプIVでこの分類を補足しました。このタイプの人工関節周囲感染症は、人工関節表面の無症候性の細菌定着を意味し、同じ病原体が分離された2つ以上のサンプルの術中培養陽性の形で現れます。術中2～5サンプルの陽性培養。感染の種類に応じて、著者らは特定の治療戦略を推奨しました。

人工股関節全置換術後の深部感染症の分類（コベントリー・フィッツジェラルド・ツカヤマ）

1. 急性術後感染症 - 術後1ヶ月以内
2. 後期慢性感染症 - 1ヶ月から
3. 急性血行性感染症 - 最長1年
4. 術中培養陽性 - 1年以上経過後

したがって、I型感染症の場合、壊死切除術を伴う再手術、ポリエチレンライナーの交換、および人工関節の残存構成部品の温存が妥当とみなされます。II型感染症の場合、必須の壊死切除術を伴う再手術の際に人工関節の除去が必要となりますが、III型人工関節周囲感染症の患者では、人工関節の温存を試みることは可能です。一方、術中培養が陽性と診断された場合は、保存的治療（6週間の抑制的非経口抗生物質療法）が行われます。
人工関節周囲感染症の病態の特徴。

インプラント関連感染症の特殊な症例であるインプラント周囲感染症は、病原体の侵入経路、発症時期、臨床症状の重症度に関わらず、インプラントに特有のものです。この場合、感染過程の進行において主導的な役割を果たすのは微生物であり、その生体表面および非生体表面に定着する能力が重要です。

微生物は、様々な表現型で存在することができます。付着性細菌（バイオフィルム）、自由生活性細菌（プランクトン状、溶液中に懸濁した状態）、潜伏性細菌（胞子状）です。インプラント周囲感染症を引き起こす微生物の病原性は、インプラント表面に特殊なバイオフィルム（バイオフィルム）を形成する能力に起因します。この事実を理解することは、合理的な治療戦略を決定する上で極めて重要です。

インプラントにおける細菌のコロニー形成は、2つのメカニズムによって起こります。1つは、静電場力、表面張力、ファンデル・ウィルズ力、疎水性、水素結合などにより、細菌と宿主タンパク質で覆われていない人工表面との間の直接的な非特異的相互作用です（第1のメカニズム）。インプラントの材質に応じて、微生物がインプラントに選択的に付着することが示されています。St. epidermidis株はエンドプロテーゼのポリマー部分に、St. aureus株は金属部分に付着しやすいことが示されています。

2つ目のメカニズムでは、インプラントの材料が「宿主」タンパク質でコーティングされます。宿主タンパク質は、異物と微生物を結合させる受容体およびリガンドとして機能します。すべてのインプラントはいわゆる生理学的変化を起こし、その結果、インプラントはほぼ瞬時に血漿タンパク質、主にアルブミンでコーティングされます。

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バイオフィルムはどのようにして傷の治癒プロセスを妨げるのでしょうか?

創傷表面がバイオフィルムから剥離する過程で、バイオフィルムは慢性炎症反応を刺激します。この反応により、バイオフィルムを取り囲むように多数の好中球とマクロファージが出現します。これらの炎症細胞は、反応性酸化物質とプロテアーゼ（マトリックスメタロプロテアーゼとエラスターゼ）を大量に産生します。プロテアーゼはバイオフィルムの組織への付着を破壊し、創傷からバイオフィルムを除去するのに役立ちます。しかし、これらの反応性酸化物質とプロテアーゼは、健康な組織、治癒中の組織、タンパク質、免疫細胞も破壊するため、治療の質が低下します。

慢性炎症反応は必ずしもバイオフィルムの除去に繋がるわけではなく、そのような反応はバイオフィルムにとって「有益」であるという仮説が立てられています。効果のない炎症反応を誘導することで、バイオフィルムはそれを形成する微生物を保護し、滲出液の産生を増加させます。滲出液は栄養源となり、バイオフィルムを維持する手段となります。

傷口におけるバイオフィルム形成を促進する条件はありますか?

創傷におけるバイオフィルム形成を促進する条件が存在するかどうかは不明です。しかし、免疫系を弱めたり、抗生物質の効果を低下させるような基礎疾患（例：組織の虚血または壊死、栄養不良）が、創傷におけるバイオフィルムの形成を促進する可能性があります。

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バイオフィルム管理の原則は何ですか?

創傷にバイオフィルムが存在する可能性が高い場合でも、一段階の治療法は存在しません。創床準備の要素を組み合わせ、バイオフィルム塊を除去し、バイオフィルムのリモデリングを防ぐ戦略が最適となる場合があります。このアプローチは「バイオフィルムに基づく創傷ケア」と呼ばれることもあります。

バイオフィルムが除去されたかどうかはどうすればわかりますか?

明確な症状がなく、微生物群集を特定するための確立された臨床検査法も存在しないため、創傷からバイオフィルムが除去された時点を正確に特定することは困難です。最も示唆的な兆候は、滲出液分泌の減少と痂皮の剥離を特徴とする、創傷治癒の進行です。明確なガイドラインが策定されるまでは、臨床医はバイオフィルムに侵された創傷の治療方法を個々の症例ごとに決定する必要があります。例えば、治療が成功した場合、創傷ケアの方法や頻度を変更したり、局所抗菌薬の必要性を検討したりする必要があるかもしれません。創傷治癒を促進するための追加的な対策は、患者の健康状態を考慮して検討し、免疫系のサポートを目的とするべきです。このように、バイオフィルムは慢性炎症性疾患の経過に影響を与え、最近のデータは、慢性創傷の治癒過程を阻害する上でバイオフィルムが重要な役割を果たしていることを示唆しています。バイオフィルムは、抗体、抗生物質、防腐剤、消毒剤、および食細胞に対して高い耐性を示します。バイオフィルムを伴う創傷の現在の治療法には、創傷の再感染を防ぎ、バイオフィルムの再形成を抑制するために、創傷被覆材と抗菌剤の使用と組み合わせた、頻繁な創傷洗浄の義務化が含まれます。

創傷感染の病因論を検討する際には、微生物学的観点から、あらゆる局所感染巣を病理学的バイオセノシス（生物群集）として捉えるべきであることを念頭に置くべきである。これは、特定の感染巣に存在する微生物叢が、宿主生物に対する病原性を最大限に発揮することを含め、あらゆる栄養機能の存在と発現に最適な条件が整う場合にのみ、感染プロセスに積極的に関与することができることを意味する。この立場を認識することは、その後の結論の根拠となる。病原体の初期の病原性が十分に高く、宿主の自然な抗感染防御機構が不十分であるか、あるいは何らかの病理学的過程によって弱体化している場合、病理学的バイオトープの形成は、感染プロセス自体の漸進的な発達の結果である可能性がある。

医学博士候補生ガリフルロフ・ガミル・ガキリエヴィッチ。人工関節置換術における感染性合併症の発症に関するいくつかの側面 // 実用医学。8 (64) 2012年12月 / 第1巻