顶刊综述 | 美国罗彻斯特大学（IF：60.633）：骨骼感染的微生物发病机制、免疫和临床管理

编译：微科盟小木，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

导读  

骨髓炎仍然是骨科手术中最大的风险之一。虽然许多微生物与骨骼感染有关，但金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)仍然是最常见和最具破坏性的致病菌。重要发现揭示了金黄色葡萄球菌的发病机制和在骨组织中持续存在的新机制，包括植入物相关生物膜、脓肿和骨细胞腔隙-小管网络的侵袭。然而，在预防和根除骨骼感染方面的临床进展很少，因为治疗算法和结果在过去半个世纪里只是逐渐改变。本篇综述讨论了骨骼系统感染金黄色葡萄球菌的持续性和免疫逃逸机制，以及植入物相关和原生骨感染中其他引起骨髓炎的病原菌的特征。我们还描述了宿主为何无法根除细菌性骨感染，以及这些新信息如何导致新干预措施的发展。最后，我们讨论了骨骼感染的临床管理，包括骨髓炎的分类和使用新兴技术治疗骨骼感染的策略，这在未来可应用于临床。

论文ID

原名：Skeletal infections: microbial pathogenesis, immunity and clinical management

译名：骨骼感染：微生物发病机制、免疫和临床管理

期刊：Nature Reviews Microbiology

IF：60.633

发表时间：2022.2.15

通讯作者：Edward M. Schwarz

通讯作者单位：美国罗彻斯特大学医学中心，肌肉骨骼研究中心

DOI号：10.1038/s41579-022-00686-0

综述目录

1 前言

2 骨骼感染中的金黄色葡萄球菌

    2.1 胞内感染

    2.2 OLCN侵袭

    2.3 生物膜形成

    2.4 脓肿形成

3 骨骼感染中的其他病原菌

    3.1 感染的影响因素

    3.2 发病机制

    3.3 多微生物感染

4 宿主反应和免疫逃逸

    4.1 组织免疫反应

4.1.1 金黄色葡萄球菌介导的先天免疫调控  

4.1.2 金黄色葡萄球菌介导的适应性免疫调控  

    4.2 对金黄色葡萄球菌的保护性与易感性免疫反应

    4.3 对其他病原体的免疫反应

5 骨骼感染的临床管理

    5.1 骨髓炎的分类

    5.2 诊断、预防和治疗

6 结论与展望

主要内容

1 前言

骨髓炎是一种骨感染，可由周围组织的连续传播、手术或损伤造成的直接骨创伤或系统性菌血症引起的血源性传播引起。它仍然是一个重大的医疗负担，在美国，每10万人中约有22例，而且发病率一直在上升，特别是在老年人和糖尿病患者中。尽管它是一种异质性疾病，亚型分类包括植入物相关骨髓炎(包括关节假体周围感染(PJI)和器械性脊柱感染)、骨折相关感染、急性血源性骨髓炎、糖尿病足感染、脓毒性关节炎和先天脊柱骨髓炎。

动物模型的应用对扩大我们对骨髓炎的理解和改进治疗算法至关重要，该模型以体外模型尚无法复制的方式展示了病原体与免疫系统和骨骼系统细胞之间的相互作用。动物模型可用于研究骨骼感染的几乎所有方面，通常涉及植入时的细菌接种(图1)。它们的复杂程度不同，从将金属植入物置于皮肤下(如组织笼)或皮质骨内(如金属丝)的简单模型到更复杂的模拟功能性矫形设备的模型。此外，已开发出多种方法来诱导非植入性感染，如尾静脉血源性接种、椎体或椎间盘直接接种诱发椎体骨髓炎、或糖尿病肥胖啮齿动物足垫接种诱发糖尿病足感染。

由于不同感染类别的疾病发病机制不同，微生物病因学也不同。许多不同的微生物与骨骼感染有关，最常见的微生物及其发病率和趋向性见表1。一般而言，金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和凝固酶阴性葡萄球菌(CoNS)(如表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)和Staphylococcus lugdunensis是造成2/3的所有骨骼感染的原因，其中金黄色葡萄球菌是最常见的单一病原体。此外，抗菌素耐药性仍然是骨髓炎治疗中的一个挑战，高达50%的金黄色葡萄球菌骨髓炎病例是由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)菌株引起的。其他不太常见的病原菌包括肠球菌(Enterococcus spp.)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、大肠杆菌(Escherichia coli)和Cutibacterium acnes(表1)。大多数骨髓炎病例是单菌性的；然而，多微生物感染是许多不同类型骨髓炎病例的一个重要分支，包括创伤相关或骨折相关的感染以及足或踝关节感染。

本篇综述总结了近年来金黄色葡萄球菌骨髓炎的发病机制，包括细胞内感染、葡萄球菌脓肿(SACs)和骨细胞腔隙-小管网络(OLCN)侵袭。我们描述了由其他病原菌(包括CoNS、C. acnes和Streptococcus agalactiae)引起的骨骼感染的新机制和病理生理学。此外，我们讨论了这些病原体在骨髓炎形成过程中所采用的各种宿主免疫逃逸策略，并在骨骼感染的背景下介绍了易感与保护性免疫蛋白质组的理论。最后，我们总结了骨骼感染治疗的当前临床护理标准和争议、病原菌诊断的挑战以及预防和治疗的新策略。

 图1 骨骼感染的体内模型。动物研究在一些最重大发现中发挥了重要作用，这些发现促进了我们对肌肉骨骼感染的理解。从广义上讲，这些模型可以分为植入物相关模型和非植入式相关模型。许多与植入物相关的模型利用简化的生物材料来表示可能放置在皮下空间(例如，组织笼或椎间盘)或骨内(如克氏针或螺钉)的矫形装置(灰色)，具有简单性和相对较低的风险。某些研究可能需要使用功能性装置，将植入动物体内的植入物用于固定骨折或替换关节(绿色)，这在以骨愈合、植入物生物力学或监管审批为目标的情况下可能特别有用。最后，已经开发了一些不属于这两种类型的模型，因为它们可能模拟特定的疾病实体(紫色)，如血源性接种，导致骨髓炎、肌腱感染、椎体骨髓炎或使用合并症小鼠(如糖尿病肥胖小鼠)。

表1 致病菌及其在骨骼感染中的发病率。

数字反映了发病率的百分比范围。CoNS，凝固酶阴性葡萄球菌；HACEK，Haemophilus spp.、Aggregatibacter spp.、Cardiobacterium spp.、Eikenella spp.、Kingella spp.。 a括号内的数字表示CoNS组中Staphylococcus epidermidis的发病率。

2 骨骼感染中的金黄色葡萄球菌

金黄色葡萄球菌是骨骼感染中最普遍和最具破坏性的病原体。从无症状的皮肤定植到危及生命的疾病，这种革兰氏阳性细菌已经进化到感染几乎每一种人体组织类型。金黄色葡萄球菌在骨骼感染中具有特异性致病性，因为它具有在骨骼内侵入、定植和生长的独特能力。金黄色葡萄球菌在骨骼感染中持续性的关键机制见图2。

图2 骨髓炎中金黄色葡萄球菌的发病机制。金黄色葡萄球菌在骨骼感染过程中有多种致病机制。成骨细胞、破骨细胞和骨细胞的细胞内感染已被研究为骨髓炎期间金黄色葡萄球菌长期存在的可能来源，且“特洛伊木马(Trojan horse)”巨噬细胞已被证明可导致细菌传播和多器官衰竭。金黄色葡萄球菌侵袭骨细胞-腔隙小管网络(OLCN)，最常见于死骨内，在骨髓炎期间允许宿主免疫细胞逃逸，并需要金黄色葡萄球菌变形来侵入骨小管。金黄色葡萄球菌生物膜形成于植入物表面和坏死骨，通过金黄色葡萄球菌细胞的扩散限制和代谢多样性赋予对免疫细胞攻击和抗生素治疗的抗性。最后，葡萄球菌脓肿可以在长骨的髓腔内和相关的软组织中形成。革兰氏阳性金黄色葡萄球菌细胞位于脓肿中心，周围环绕着包裹细菌细胞的纤维假包膜，然后是死的和活的免疫细胞层。注意在长期感染期间，会形成坏死的骨碎片(死骨)和新骨生成(总苞)。CHIPS，金黄色葡萄球菌趋化抑制蛋白；ClfA/B，凝集因子A/B；CoA，凝固酶；Eap，细胞外黏附蛋白；eDNA，胞外DNA；Ess，ESAT-6分泌系统；FnBPA/B，纤连蛋白结合蛋白A/B；Hla，α溶血素；MSCRAMMs，识别黏附基质分子的微生物表面成分；PBP3/4，青霉素结合蛋白3/4；PIA，多糖胞间黏附素；PSM，酚可溶性调控蛋白；PVL，Panton-Valentine杀白细胞素；SCIN，葡萄球菌补体抑制剂；SCVs，小菌落突变株；TSST1，中毒性休克综合征毒素-1；vWbp，von Willebrand因子结合蛋白。

2.1 胞内感染

细胞内感染在骨髓炎中的作用仍然是一个活跃的研究课题。许多研究小组提出，金黄色葡萄球菌对骨细胞的长期细胞内感染是长期休眠后感染持续和复发的机制，这在金黄色葡萄球菌骨髓炎的临床病例中经常观察到。

金黄色葡萄球菌胞内持续性在多种细胞类型中存在，包括巨噬细胞、角质形成细胞、上皮细胞和内皮细胞。具体来说，巨噬细胞(通常被称为“特洛伊木马”巨噬细胞)的胞内感染可以促进细菌在体内的传播和小菌落突变株(SCVs)的富集。金黄色葡萄球菌侵入非专业吞噬细胞被描述为宿主介导的摄取，其中纤连蛋白将金黄色葡萄球菌细胞表面纤连蛋白结合蛋白A或B(FnBPA或FnBPB)与宿主细胞α5β1整合素连接起来，触发细胞骨架重组和细菌细胞摄取。

在骨骼环境中，体外研究表明金黄色葡萄球菌在成骨细胞、破骨细胞和骨细胞内侵袭和存活，临床病例研究描述了慢性感染骨组织中成纤维细胞、成骨细胞和骨细胞的细胞内定植。骨细胞的直接感染尤其具有致病性，因为它已被证明可诱导破骨细胞因子的分泌，从而导致病理性骨丢失。此外，一些人假设细胞内感染的成骨细胞经过分化或成熟成为骨细胞，可以作为骨细菌定植的长期和免疫特权储库。

由于体内研究有限，目前尚不清楚金黄色葡萄球菌能在骨细胞内持续存在多久，以及感染病灶中有多少骨细胞通常被金黄色葡萄球菌定植。因此，需要使用骨髓炎体内模型进一步研究来阐明金黄色葡萄球菌细胞内定植在骨髓炎中的作用。

2.2 OLCN侵袭

最近发现在骨髓炎期间金黄色葡萄球菌侵袭皮质骨的OLCN可能为骨髓炎的长期细菌持续存在和治疗失败提供了另一种解释。与金黄色葡萄球菌是一种非运动球菌生物这一信条相反，最近对骨髓炎的实验模型和临床病例的研究表明，金黄色葡萄球菌可以侵入并持续存在于OLCN内。值得注意的是，金黄色葡萄球菌变形到其自身大小的一半左右，在直径为100-600 nm的狭窄范围内定植。金黄色葡萄球菌的细胞壁合成机制和表面黏附素可能在趋硬性和趋触性的引导下入侵OLCN。为了验证这一假设，一种名为SiM-CA的体外模型被用于模拟小管侵袭来识别小管侵袭所需的金黄色葡萄球菌基因。体外和体内研究发现pbp3和pbp4是OLCN亚微米增殖和侵袭的关键基因。pbp3和pbp4编码非必需的细胞壁转肽酶青霉素结合蛋白3和4(PBP3和PBP4)，它们在细胞壁合成的最后阶段发挥作用。本研究表明，抑制PBP3和/或PBP4可防止金黄色葡萄球菌OLCN的侵袭，其抑制剂可作为金黄色葡萄球菌骨髓炎抗菌治疗的佐剂。

目前尚不清楚抗生素在抑菌浓度下是否容易扩散到皮质骨的OLCN中。小鼠研究表明，将小分子溴脱氧尿苷添加到动物的饮用水中，其可在体内扩散到受感染的小管中。然而，万古霉素治疗不能根除感染骨OLCN内的MRSA，庆大霉素治疗可诱导小管内金黄色葡萄球菌细胞壁增厚。这些结果表明，在亚抑菌浓度下，肠外和局部高剂量抗生素均以亚抑菌浓度到达OLCN内的细菌，从而诱导耐药或持续表型。抑制OLCN侵袭的新疗法可能是一种有效的佐剂，与其他杀菌剂联合使用以改善感染根除和减少细菌持久性。

2.3 生物膜形成

金黄色葡萄球菌在骨髓炎发病机制中的一个重要和深入研究的机制是生物膜的形成，已被广泛综述。坏死骨和植入物表面的金黄色葡萄球菌生物膜特别难以根除，因为它们限制了抗生素向细菌细胞的扩散，抑制了免疫细胞的渗透，并抵抗了机械破坏。此外，由于营养和氧气可用性的梯度，生物膜内的细菌细胞具有代谢多样性，从而促进了SCVs和持久性细胞群的选择。

Agr群体感应系统是金黄色葡萄球菌生物膜形成的关键调控因子。在低细胞密度下，金黄色葡萄球菌表达识别黏附基质分子(MSCRAMMs)的微生物表面成分(例如，FnBPA、FnBPB、Cna和SpA)，这些成分可以启动与非生物基质的黏附。黏附后，细菌细胞继续增殖，并合成和分泌胞外多聚物质，如胞间黏附多糖和胞外DNA，涉及ica操纵子的表达。在高细胞密度时，自诱导肽达到激活AgrC-AgrA双组分系统的阈值浓度。Agr系统的激活导致MSCRAMMs的下调和酚可溶性调控蛋白(PSMs)和分泌毒素【例如，α-溶血素(Hla)、杀白细胞素(Panton Valentine，PVL)和中毒性休克综合征毒素1(TSST1)】的上调，这反过来会触发成熟生物膜中的细菌扩散。

2.4 脓肿形成

除了生物膜外，金黄色葡萄球菌具有独特的能力，通过在骨髓炎期间形成强大的SACs来长期感染骨髓和植入物周围软组织。在骨感染部位出现SACs通常被用来诊断和/或划分骨髓炎的阶段，因为SACs可以通过限制该区域的血液流动大大增加感染的严重程度。尽管这些细菌病变(在骨组织中发现时也被称为Brodie脓肿)已经研究了两个世纪，但最近的研究已经正式证明了它们对标准护理抗生素和宿主免疫反应的抗性。

SACs的形成代表了宿主对软组织内金黄色葡萄球菌延长存活时间的反应的有效控制。当细菌利用宿主的反应将自己包裹在一个保护屏障中并持续很长一段时间时，SACs就会发生。金黄色葡萄球菌首先通过凝固酶(CoA)和血管性血友病因子结合蛋白(vWbp)的活性形成保护性纤维假包膜，该蛋白结合凝血酶原激活其将纤维蛋白原转化为纤维蛋白，以及直接结合纤维蛋白原的凝集因子A和B(ClfA和ClfB)。此外，金黄色葡萄球菌分泌免疫逃逸蛋白，如金黄色葡萄球菌趋化抑制蛋白(CHIPS)和葡萄球菌补体抑制剂(SCIN)，以抵消最初的急性免疫反应。随着金黄色葡萄球菌细胞开始聚集并形成菌落，大量免疫细胞(主要是中性粒细胞)渗入该区域并因直接和间接杀伤而坏死。该区域大部分坏死的宿主免疫细胞无意中创造了一个额外的保护屏障，阻止新招募的宿主免疫细胞穿透脓肿杀死细菌。

在SAC内，细菌细胞基本上缺乏大量的营养物质和氧气；因此，为了在这种环境中生存，金黄色葡萄球菌必须根据营养可用性来调整其基因表达。几乎所有微生物生长和增殖所需的一种营养物质是铁。金黄色葡萄球菌利用去铁蛋白IsdA、IsdB和IsdH结合血红蛋白，提取血红素作为铁的来源。胞外黏附蛋白(Eap)和ESAT-6分泌系统(Ess)通路(一种非典型的蛋白分泌通路)也被证明能促进SAC的持续性，特别是在疾病的后期。与生物膜类似，SAC内的细胞可以被认为是代谢多样的群体，有助于抗生素耐受和免疫细胞攻击的抵抗。最终，根除脓肿的唯一有效方法是脓肿切开引流或清创。

2.5 持续细胞和SCVs

骨骼感染还涉及以持续细胞和SCVs形式存在的细菌，这可能是由氧化应激、营养限制、细胞内驻留和低pH值等环境触发因素引起的。SCVs可存在于上述所有持久性机制(细胞内感染、OLCN侵袭、生物膜和脓肿)，进一步加剧感染的严重程度并使治疗复杂化。

SCVs的特点是菌落小、生长缓慢和毒力降低，并已在骨骼感染患者的活检中有所描述。这些菌株的低毒力似乎并不会降低引起疾病的适应性，并可能支持逃避宿主免疫防御，尽管确切的机制仍有待确定。相比之下，持续细胞是细菌种群的一个子集，其特征是它们能够在高抑菌抗生素浓度下存活而不表现出任何抗生素耐药机制。在这种情况下，持续性被认为是细菌种群中自然发生的异质性现象，由(p)ppGpp警报素诱导的严格反应、SOS反应和生物膜形成引起。SCV和持续细胞都可能导致抗生素治疗失败和感染复发，目前在骨骼感染患者的医疗选择中没有得到充分的解决。

3 骨骼感染中的其他病原菌

3.1 感染的影响因素

非葡萄球菌病原体也能引起骨感染，并可能在某些解剖位置或患者群体中具有更大的重要性(表1;图3)。感染途径也很重要，例如，手术部位的直接污染通常是由CoNS等皮肤定植菌引起的，而血源性感染通常涉及能够在血流中生存的病原菌，如链球菌(Streptococcusspp.)。此外，骨折相关感染可由各种环境病原菌引起，如肠杆菌属(Enterobacter spp.)、铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)或鲍曼不动杆菌(Acinetobacter baumannii)，后者通常从战斗相关损伤中分离出来。

植入物的存在是致病性较低或条件性微生物感染的另一个关键因素。例如，表皮葡萄球菌(S. epidermidis)占PJI的25%(表1；图3)。与金黄色葡萄球菌相似，它是一种皮肤共生生物，很少引起免疫活性宿主的侵袭性感染；然而，它可以作为一种条件致病菌，特别是在医疗设备中。

C. acnes是导致骨髓炎的上肢感染中最常见的细菌病原体。C. acnes是一种兼性厌氧革兰氏阳性杆菌，已在5%的下肢PJI病例和超过50%的肩部PJI病例中分离到。它是皮肤、毛囊和皮脂腺微生物群的正常组成部分，也是寻常痤疮和植入物相关骨髓炎的条件性病原菌。由于临床诊断标准严重依赖于组织培养结果，C. acnes在植入物相关感染的环境中造成了额外的挑战；然而，这种生物很难培养，需要重复测试和长达2周的延长孵育时间。与表皮葡萄球菌相似，体内研究表明C. acnes引起的骨髓炎依赖于植入物的存在，强调了生物膜形成在其发病机制中的关键作用。

如前所述，某些微生物对特定的患者群体有偏好(图3)。例如，沙门氏菌(Salmonella spp.)是血红蛋白病(如镰状细胞贫血)患者发生血源性骨髓炎的独特病原体，这是由于其功能性无脾和由此产生的调理包膜生物的脾清除不足。在儿童中，自流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae)疫苗问世以来，金氏杆菌(Kingella kingae)已取代流感嗜血杆菌成为脓毒性关节炎的主要病因。革兰氏阴性球菌，如淋病奈瑟菌(Neisseria gonorrhoeae)，仍然是性活跃个体感染性关节炎鉴别诊断的重要组成部分。最后，在组织缺血的情况下(如糖尿病足部创面微血管缺血)或在免疫功能低下的宿主环境中，革兰氏阴性细菌感染和多微生物感染变得更加普遍。虽然葡萄球菌是所有感染类型中最常见的病原菌(表1)，但在特定情况下，其他病原菌也可以感染骨骼，在疾病诊断和治疗时应予以考虑。

图3 葡萄球菌(Staphylococcus spp.)和链球菌(Streptococcus spp.)以外的骨髓炎病原菌。虽然葡萄球菌是所有骨骼感染类型中最常见的病原体，但其他病原体经常在特定感染类别或患者群体中引起感染。除了葡萄球菌和链球菌外，该图突出显示了除葡萄球菌和链球菌外的不太常见的病原体，它们与人体骨骼感染有独特的关联。沙门氏菌(Salmonella spp.)在镰状血红蛋白病患者中最常见，流感嗜血杆菌(Haemophilus influenza)和金氏杆菌(Kingella kingae)在儿童中最常见，淋病奈瑟菌(Neisseria gonorrhoeae)在性活跃的患者中发现。

3.2 发病机制

尽管表皮葡萄球菌(S. epidermidis)被认为是一种致病性较低的物种，但它通常从涉及植入物或免疫功能低下宿主的骨髓炎病例中分离出来。虽然大多数骨髓炎研究都集中在金黄色葡萄球菌上，但皮肤定植菌S. epidermidis的机会性感染仍然是一个重要的研究领域。与金黄色葡萄球菌相似，表皮葡萄球菌通过黏附素(如自溶素(AltE))、胞外DNA、葡萄球菌表面蛋白1和2以及细胞壁锚定蛋白(如MSCRAMMs)黏附在植入物表面。表皮葡萄球菌能够在植入物表面形成一个坚固的生物膜，这有助于免疫逃逸和抗菌耐药性。但表皮葡萄球菌缺乏金黄色葡萄球菌表达的毒力因子的多样性，因此，往往表现为一种更惰性、炎症较少的感染。

链球菌是从植入物相关骨髓炎中分离出来的第二种常见的细菌，其中无乳链球菌(S. agalactiae)是最常见的种类。最近的研究发现，无乳链球菌感染引起的骨溶解明显少于金黄色葡萄球菌。此外，与金黄色葡萄球菌相比，无乳链球菌感染显示脓肿形成减少，植入物中无乳链球菌菌落形成单位为零。这些发现支持无乳链球菌不能形成坚固的植入物相关生物膜的观点，并为链球菌感染中观察到的清创术、抗生素和植入物保留治疗的疗效改善提供了可能的解释。此外，与金黄色葡萄球菌感染观察到的OLCN侵袭相比，无乳链球菌可能会优先在骨内的血管网络中定植。

事实上，除葡萄球菌和链球菌外，许多微生物病原体已被报道能形成坚固的生物膜。例如，引起骨髓炎的革兰氏阳性肠球菌已被报道在植入材料中形成生物膜。尽管肠球菌生物膜形成的遗传决定因素还不清楚，但最近的研究表明，编码转录调控因子的ahrC和编码膜金属蛋白酶的eep有助于粪肠球菌(Enterococcus faecalis)生物膜的形成。

值得注意的是，革兰氏阴性铜绿假单胞菌是一种臭名昭著的生物膜形成细菌，特别是在囊性纤维化和慢性伤口的感染中。尽管很少有专门研究铜绿假单胞菌生物膜在骨髓炎中的作用的研究，但已知铜绿假单胞菌生物膜有助于抗生素耐药性和感染持续性，因此应该被认为是骨髓炎发病的重要机制。

此外，有报道称多种导致骨髓炎的病原体可形成SCVs。事实上，SCV表型最初是针对肠炎沙门氏菌(Salmonella enterica)进行描述的，此后在一系列导致骨髓炎的病原体中也有报道，如表皮葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌。然而，骨髓炎中金黄色葡萄球菌以外的病原体SCVs的流行特征尚不清楚，需要进一步研究。

3.3 多微生物感染

大约1/3的创伤后骨髓炎病例、6-21%的PJI病例和高达83%的糖尿病足感染病例是由多微生物感染引起的。不出所料，在多微生物骨髓炎中最常见的微生物是金黄色葡萄球菌，其共感染细菌从条件性细菌到致病菌不等。在感染部位污染(非血源性)的情况下，皮肤定植菌的污染通常包括CoNS，而环境生物的污染可能更为多样，包括大肠杆菌、肠杆菌、铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌、芽孢杆菌和肠球菌。

通常，多微生物感染与较差的预后和感染严重程度加重有关。这可以用微生物协同作用来解释，其诱导特定的毒力性状或调节宿主的免疫反应。有趣的是，一项研究表明，金黄色葡萄球菌的毒力通过添加皮肤共生生物或肽聚糖而增强，它们起着促进感染的作用。另一方面，人们也知道共生生物对致病性感染具有保护作用，最近的一项研究支持了这一点。在一个小鼠皮肤感染模型中，CoNS物种(模拟葡萄球菌)抑制了金黄色葡萄球菌群体感应并减少了金黄色葡萄球菌诱导的皮肤坏死。

为了扩大我们对骨骼感染中多种微生物相互作用的理解，并提供有效的治疗方法，需要多种微生物骨髓炎的临床前模型。目前，关于多微生物骨骼感染模型的研究非常有限，而且还没有很好的建立起来。在这些模型中研究的生物包括鲍曼不动杆菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌与金黄色葡萄球菌的结合。在这些模型中，金黄色葡萄球菌经常在骨固定或植入材料上胜过共感染生物，导致较少的非金黄色葡萄球菌菌落形成单位。这部分可以通过金黄色葡萄球菌所特有的毒力机制来解释，以在骨骼微环境中茁壮成长。

需要更多的研究来了解导致多微生物感染严重程度增加的特定微生物相互作用。一项研究表明，与铜绿假单胞菌感染相比，与金黄色葡萄球菌共感染期间骨组织中铜绿假单胞菌的存在增加，表明微生物协同作用在该模型中发挥了作用。然而，铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌在骨骼感染中的协同作用机制尚不清楚。

4 宿主反应和免疫逃逸

免疫系统在防御骨骼感染和维持骨骼稳态中起着至关重要的作用。本节描述了骨骼感染期间免疫系统(先天性和适应性)和必要的金黄色葡萄球菌毒力蛋白之间的相互作用，侧重于讨论慢性植入物相关骨髓炎期间的免疫激活、抑制和调节机制。

4.1 组织免疫反应

金黄色葡萄球菌在骨生态位中长期生存的能力归因于一系列毒性因子的表达，如黏附素、免疫调节蛋白、毒素和具有冗余功能的超抗原。图4显示了金黄色葡萄球菌用来操纵先天性和适应性宿主免疫反应的关键蛋白质。

4.1.1 金黄色葡萄球菌介导的先天免疫调控

先天免疫细胞(包括巨噬细胞和中性粒细胞)是抵御金黄色葡萄球菌骨骼感染的第一道防线。图4a描述了金黄色葡萄球菌用于逃避先天免疫细胞的重要毒力蛋白和机制。

先天免疫细胞通过吞噬作用、抗菌肽的产生、氧化迸发、促炎细胞因子和趋化因子的分泌以及中性粒细胞胞外陷阱的形成有效杀死浮游金黄色葡萄球菌细胞，从而捕获细菌。然而，在慢性骨骼感染中(如植入物相关骨髓炎)，金黄色葡萄球菌作为生物膜持续存在，导致中性粒细胞对金黄色葡萄球菌的活性降低。金黄色葡萄球菌还分泌成孔毒素(例如，Hla、β-溶血素、γ-溶血素(HlgAB和HlgCB)、杀白细胞素A/B(LukAB)和PVL)，通过破坏细胞膜直接杀死中性粒细胞、巨噬细胞和其他抗原呈递细胞。有趣的是，金黄色葡萄球菌通过下调这些毒素，特别是Hla和LukAB，在慢性骨髓炎期间作为生物膜持续存在于骨龛中。

在骨骼感染中，金黄色葡萄球菌生物膜可主动逃避toll样受体2(TLR2)和TLR9的识别，这是由于细菌配体不易接近，并使巨噬细胞对抗炎或促纤维化M2表型的反应倾斜。典型M2巨噬细胞反应的特征是抗菌肽的产生减少，精氨酸酶1、IL-4和IL-10的表达增加，诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的表达减少，所有这些都可能导致慢性植入物相关骨骼感染期间的纤维化前期反应，进而产生脓肿。此外，金黄色葡萄球菌还调节髓源性抑制细胞(MDSCs)的表达，MDSCs是一种未成熟单核细胞和粒细胞的异质性亚群。一项研究表明，在小鼠骨髓炎模型中，MDSCs积极抑制促炎细胞因子的产生和T细胞向感染部位的招募，从而使细菌持续存在。这也证明了超抗原(如葡萄球菌肠毒素)在调节MDSC的产生中发挥重要作用，这影响了细菌的持续性。

此外，在慢性骨髓炎期间，金黄色葡萄球菌可以在吞噬细胞和非专业吞噬细胞(如骨细胞和成骨细胞)中存活。这些细胞内的内化过程是通过MSCRAMMs FnBPA和FnBPB与纤维蛋白原结合并连接到巨噬细胞或中性粒细胞的α5β1整合素来实现的。此外，其他MSCRAMMs(ClfA、ClfB)、表面锚定蛋白(SdrC、SdrD和SdrE)和表面蛋白SasG，可促进内置假体和等离子包被生物表面上的细菌聚集和生物膜形成。这些黏附蛋白的作用与金黄色葡萄球菌的免疫逃逸和发病机制已在其他地方描述。除了吞噬细胞中的细胞内存活外，金黄色葡萄球菌还通过分泌毒力蛋白(如CHIPS、SCIN、CoA和细胞外纤维蛋白原结合蛋白(Efb))来阻止补体介导的调理和吞噬作用。

图4 金黄色葡萄球菌感染的先天性与适应性免疫反应。 毒力蛋白使金黄色葡萄球菌能够成功逃避宿主的免疫反应。a金黄色葡萄球菌利用几种细胞相关的微生物表面成分识别黏附基质分子(MSCRAMMs)和分泌蛋白来阻止先天宿主防御。细菌细胞表面蛋白SasG促进中性粒细胞、巨噬细胞和非专业吞噬细胞的细胞黏附和细胞内生存。金黄色葡萄球菌通过利用细胞外纤维蛋白原结合蛋白(Efb)、SpA和Sbi捕获补体蛋白来阻碍补体介导的调理和吞噬作用；利用葡萄球菌补体抑制剂(SCIN)、金黄色葡萄球菌趋化抑制蛋白(CHIPS)、SpA和凝固酶(CoA)抑制中性粒细胞招募；并分泌成孔毒素(α-溶血素(Hla)、β-溶血素、γ-溶血素(HlgAB、HlgCB)、杀白细胞素AB(LukAB)和Panton Valentine杀白细胞素(PVL))破坏宿主膜，杀死先天免疫细胞。超抗原(金黄色葡萄球菌肠毒素B和C(SEB，SEC)和中毒性休克综合征毒素1(TSST1))通过1)改变M2巨噬细胞极化，2)促进髓源性抑制细胞(MDSC)的形成，导致吞噬作用降低，3)促进葡萄球菌脓肿群落形成，4)导致抗原呈递和细胞因子产生失调来促进免疫逃逸，从而影响T和B细胞活化。b在适应性免疫方面，超抗原可以交联组织驻留T细胞上的T细胞受体，引起抗原非依赖性刺激，最终导致细胞衰竭。Hla、LukED和酚可溶性调控蛋白(PSMs)可干扰T细胞的分化和活化，并引起细胞凋亡。多功能SpA蛋白可抑制B细胞功能，葡萄球菌激酶(Sak)可裂解IgG，防止抗体介导的吞噬作用。在金黄色葡萄球菌感染期间，抗体可以是保护性的，也可以是致病性的，其中anti-IsdB抗体促进金黄色葡萄球菌在特洛伊木马巨噬细胞内存活，引起败血症，而anti-Gmd抗体可防止生物膜形成，并防止骨骼感染。Atl，自溶素；ClfA/B，凝集因子A/B；FnBP，纤连蛋白结合蛋白。

4.1.2 金黄色葡萄球菌介导的适应性免疫调控

金黄色葡萄球菌的适应性免疫包括细胞介导的T细胞反应和B细胞介导的体液抗体反应。图4b显示了该病原菌逃避适应性免疫细胞的机制和相关免疫调节蛋白。

过去20年的研究已经积累了证据，证明T细胞及其亚群对宿主抵御金黄色葡萄球菌至关重要。小鼠骨髓炎模型显示，金黄色葡萄球菌生物膜使CD4+ 辅助性T细胞(TH)对TH1和TH17细胞的反应发生倾斜，从而导致细胞内病原体清除无效。与这些研究相反，一项研究发现，在人类金黄色葡萄球菌PJI中，生物膜感染部位的T细胞浸润极少。这些研究强调，小鼠感染和保护的免疫相关性往往与人类的反应不同。一个具有功能性人类免疫系统的小动物模型可以试图弥补这一差距。最近有研究表明，与正常C57BL/6J小鼠相比，人源化NSG(NOD scid γ)小鼠患金黄色葡萄球菌骨髓炎的几率更大，而且对金黄色葡萄球菌骨髓炎诱导的脓毒症的易感性更高。有趣的是，作者观察到受感染的人源化NSG小鼠骨髓中与SAC相邻的人CD3+T-bet+细胞的浸润和增殖。

上述常规T细胞反应需要金黄色葡萄球菌抗原呈递和与T细胞受体(TCRs)的相互作用。然而，TSST1等超抗原可以将TCR的Vβ链与组织驻留T细胞交联，导致非抗原依赖性T细胞刺激和多种细胞因子的大量分泌。一项研究假设，如此强烈的T细胞激活最终可能导致记忆性T细胞反应受损和失能。然而，超抗原表达的结果及其对适应性免疫的影响仍需充分阐明。其他成孔毒素，如Hla和PSMs，可以干扰T细胞的分化和激活，也可导致T细胞凋亡。此外，金黄色葡萄球菌可以调控B细胞的存活和功能并影响体液抗体反应。它还分泌多功能蛋白SpA，与某些抗体的Fcγ和Fab结构域结合，阻断抗体介导的吞噬作用并同时启动增殖性B细胞凋亡。此外，金黄色葡萄球菌激酶(Sak)可以直接降解IgG。Sak能强烈激活细胞表面的人纤溶酶原，导致IgG的裂解和降解。体液反应和anti-S. aureus抗体介导的保护性免疫的重要性将在下一节讨论。

4.2 对金黄色葡萄球菌的保护性与易感性免疫反应

由于通过鼻腔携带或先前感染而终生接触金黄色葡萄球菌，所有人类都会产生anti-S. aureus抗体。然而，抗体的存在并不能提供对未来感染的保护，并且针对金黄色葡萄球菌的抗体库(特别是在健康个体中)是高度可变的。阐明针对金黄色葡萄球菌的病原体特异性抗体，并理解个体抗体反应的保护性与易感性的功能作用，对于开发针对金黄色葡萄球菌的成功免疫疗法至关重要。最近的研究发现，在小鼠和人类金黄色葡萄球菌骨髓炎期间，对血红素清除IsdB的致病性抗体反应导致易感宿主免疫。令人惊讶的是，来自国际生物标本登记的高循环anti-IsdB抗体滴度的患者更有可能因骨感染而出现不良结果(关节融合术、再感染、截肢和败血症导致死亡)。有趣的是，利用临床前小鼠模型，发现anti-IsdB抗体促进金黄色葡萄球菌在特洛伊木马巨噬细胞内的内化，然后传播到血液和内脏器官。事实上，在死于金黄色葡萄球菌骨髓炎引起的败血症和死亡的患者中观察到大量的特洛伊木马白细胞。也许这些机制可以解释IsdB活性疫苗(Merck V710)的8000人队列II/III期临床试验的失败，在该试验中，接种组的个体因多器官败血症引起的死亡率增加了5倍。

与anti-IsdB抗体相比，针对金黄色葡萄球菌自溶素(Atl)的氨基葡萄糖苷酶(Gmd)亚基的抗体可在小鼠中诱导对金黄色葡萄球菌骨髓炎的保护。最有趣的是，患者体内高水平的anti-Gmd抗体与金黄色葡萄球菌感染引起的不良结果显著减少相关，这表明了一种保护性反应。与保护性体液免疫蛋白质组假说一致，对于其他金黄色葡萄球菌抗原，如酰胺酶(Amd)、IsdH、CHIPS、SCIN和Hla，具有高浓度IgG的患者，不良结果显著减少。还探索了anti-S. aureus抗体反应对毒素和超抗原的的保护潜力。特别是，anti-TSST1抗体的缺乏与金黄色葡萄球菌中毒性休克综合征的风险增加相关。总的来说，这些研究为预防性疫苗提供了强有力的证据，可以在选择性骨科手术前逆转这种对保护性免疫蛋白质组的易感性。

4.3 对其他病原体的免疫反应

在植入物相关的骨骼感染中，CoNS是仅次于金黄色葡萄球菌的最常见的物种，尽管其临床表现通常较温和且更慢性。与金黄色葡萄球菌相比，表皮葡萄球菌中缺乏免疫毒素或免疫逃逸机制等毒力因子，这可能至少部分解释了这一观察结果，并可能是对这两种病原体产生截然不同的免疫反应的原因。在细菌物种中很常见，表皮葡萄球菌通常通过TLR2或NOD样受体识别细胞壁分子(包括脂蛋白、脂磷壁酸和肽聚糖)来触发免疫反应。表皮葡萄球菌也产生许多分泌因子，如PSMs，可以激活人体免疫系统。然而，与金黄色葡萄球菌相比，对表皮葡萄球菌的免疫反应导致皮肤定植期间抗炎细胞因子IL-10的诱导明显更高，这与表皮葡萄球菌作为骨骼感染中持续存在但非侵袭性病原体的临床表现相匹配。对其他病原体的免疫反应的研究较少。C. acnes已在痤疮的背景下进行了广泛的研究，其已被证明可激活TLR2和TLR4，从而导致NF-κB和MAPK信号通路的激活，并最终导致促炎分子的产生，如IL-1α、IL-1β和IL-6。需要进一步研究C. acnes宿主-病原体相互作用，以更全面地了解骨骼感染的关键毒力因子，以及通常与这种微生物相关的相对中度骨溶解的机制。

5 骨骼感染的临床管理

5.1 骨髓炎的分类

骨髓炎的分类仍然存在争议，许多不同的分类系统已被用于更好地描述疾病谱。临床上，最常见的骨髓炎分类方法之一传统上是基于时间定义，如急性与慢性感染，目的是确定需要较低侵袭性(仅使用抗生素)与手术治疗。现在我们知道时间阈值并不存在，临床研究使用了从1-2周到3-6个月不等的时间定义。生物膜形成或OLCN侵袭可能是定义顽固性感染的病理事件，这可能需要更积极的治疗；然而，对于这些事件缺乏一个时间定义。用于分类骨髓炎的常见特征包括骨受累的位置和/或程度、必要的骨切除程度、脓肿或死骨的存在、感染的病因(例如血源性与连续性扩散)或手术期间需要软组织覆盖。另一个可能有助于预测骨髓炎治疗结果的重要变量是宿主的免疫状态以及它们是否能够承受手术治疗。Cierny-Mader分类法是一种最常见且被广泛接受的分级系统，它试图定义骨受累区域(髓质I型、表皮II型、局部III型和弥漫IV型)和宿主的生理类别(A免疫能力；B局部或系统受损；C宿主不耐受手术)。这强调了受影响患者的疾病程度和整体健康状况，这可能与治疗结果有关。

5.2 诊断、预防和治疗

骨髓炎是一种取决于解剖部位、植入物的存在和宿主病原体特征的异质性疾病；然而，一些诊断和治疗的一般原则可以确定。BOX 1总结了疑似骨髓炎患者的标准治疗方法。骨髓炎诊断的最新进展包括：(1)标准化诊断标准；(2)新的感染生物标志物的出现；(3)生物鉴定方法的改进。近年来，国家和国际专家小组尝试提供循证、标准化的肌肉骨骼感染诊断和治疗报告(BOX 1)。这些是改善临床医生之间沟通和为临床研究报告提供标准的重要第一步。血清和滑液检测常被用作疑似骨髓炎病例的初步筛查(BOX 1)。近年来，新生物标志物的识别为提高诊断准确性提供了潜力。例如，α-防御素是一种主要由激活的中性粒细胞释放的抗菌肽，已成为诊断PJI的一种新的滑液生物标志物。在疑似骨髓炎的病例中，先进的成像研究(如磁共振成像)或核医学研究(如锝-99m骨扫描)通常用于确定骨髓炎的解剖位置和相关脓肿的存在，并协助获得图像引导的组织活检标本(BOX 1)。大多数诊断和治疗标准依赖于对感染性微生物的识别；然而，培养阴性感染可占骨髓炎病例的20%，造成诊断和治疗的不确定性。改进生物识别的新方法包括基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)、基因组测序和植入超声。MALDI-TOF MS分析可以直接从现有的培养基或血液培养物中鉴定菌落，与以前的方法相比，其在时间、人工和成本方面都有很大的改进。考虑到在许多类型的骨髓炎中伴随存在植入物相关的生物膜，对取出的植入物进行超声处理后直接进行液体培养是提高生物识别敏感性的另一种方法。近年来，基于基因组测序的方法已成为骨骼感染诊断的一个重要研究领域。基于下一代测序(NGS)的方法包括靶向或非靶向大规模平行DNA测序，以识别样本中的人类和微生物核酸。NGS的非靶向方法，如宏基因组测序，已被证明可以准确地从培养阳性PJIs中识别已知病原体(与超声液体培养的一致性为95%)，同时还可以在40%以上的培养阴性感染中识别其他符合感染诊断标准的生物。对基于基因组测序的技术的担忧包括成本和定植与活跃感染性生物的鉴定。例如，在使用NGS的35%的病例中，未发现临床感染迹象的无菌关节置换中发现了感染性微生物，这表明需要进一步细化以确定活动性感染。

预防感染是减少骨髓炎影响的另一个重要方法。在植入相关手术中，手术切口前的全身抗生素治疗是最有效的循证预防疗法之一，也是外科护理改进项目国家感染预防指南的一部分。然而，使用局部抗生素(包括抗生素粉、抗生素珠和抗生素洗脱水泥)预防感染的效果喜忧参半。例如，抗生素洗脱水泥的某些组合可能会降低高危患者群体(如股骨颈骨折、退伍军人和小儿脊柱畸形手术)发生PJI的风险。然而，其他研究表明，在广泛人群中使用时，商业上可获得的含抗生素骨水泥配方对预防感染没有好处，成本效益较差。预防感染的一项策略是主动免疫。不幸的是，靶向金黄色葡萄球菌细胞壁成分的疫苗策略，如聚N-乙酰氨基葡萄糖、脂磷壁酸、荚膜多糖或铁获取(如IsdB)，在I期临床试验之后一直不成功。靶向毒力因子(Hla和PVL)的新疫苗策略或靶向荚膜或表面抗原的多价疫苗在早期试验后尚未取得进展。另一种有前景的早期系统骨髓炎治疗方法是免疫治疗。例如，使用金黄色葡萄球菌PJI兔模型，靶向Hla、生物成分细胞毒素和ClfA的单克隆抗体显示感染严重程度显著降低。

建立局部和全身感染控制是治疗成人骨髓炎的关键原则。大多数成年骨髓炎患者需要手术清创和全身使用抗生素。手术治疗的总体成功率差异很大，取决于解剖位置、软组织完整性、植入物的存在与否、深部脓肿或生物膜的存在、宿主的免疫状态和感染生物。例如，下肢关节置换术后急性感染或血源性感染的情况下，清创和植入物保留的感染治愈率为50-75%，而在两阶段移除植入物的慢性感染中，感染治愈率为60-90%。对于住院的糖尿病足部感染患者，多达70%的病例需要进行轻微或严重截肢。感染生物可能会影响预后，在下肢关节置换术中，与其他微生物相比，清创术和植入物保留时葡萄球菌的预后可能更差。与成人相比，患有血源性骨髓炎的儿童可以单独使用全身抗生素治疗，除非存在深部脓肿或关节内受累及或出现MRSA病例。除了外科清创术，全身抗生素治疗是骨髓炎治疗的关键组成部分。骨髓炎全身抗生素治疗的原则包括基于敏感性的生物定向治疗，使用达到适当骨浓度的药物，以及在植入物保留的情况下使用抗生物膜药物。利福平通常被用作植入物相关感染的抗生物膜剂；然而，当作为单一疗法使用时会产生快速耐药性，因此与其他全身性药物联合使用。改善骨髓炎治疗的一种策略是开发具有更高口服生物利用度、广谱抗耐药菌活性和更长半衰期的新型抗生素，以缩短必要的治疗时间。一种靶向细胞内细菌的新方法是使用抗体-抗生素偶联物，由抗磷壁酸的单克隆抗体与利福霉素类抗生素结合而成。这种抗体-抗生素偶联物结合到细胞表面，在调理作用后，吞噬溶酶体的蛋白水解环境导致活性抗生素形式的释放，从而允许靶向细胞内生物。

在骨髓炎的治疗中已经尝试了局部治疗，并取得了不同程度的成功。在骨髓炎治疗中，使用局部抗生素治疗存在争议。传统上，抗生素洗脱珠被用作局部抗生素输送源，根据检查的解剖位置对治疗结果有不同的影响。PJI的两阶段交换，第一阶段放置抗生素洗脱间隔物，被认为是慢性PJI的护理标准；然而，相对于肢体支撑和死腔(切除组织的空腔)治疗，从间隔物中洗脱抗生素的必要性仍然存在争议。与预防感染类似，局部抗生素粉与其他局部治疗(如稀释聚维酮碘)联合治疗慢性PJI后，可提高再感染率。其他局部治疗包括使用新型抗菌表面包被。例如，镀银假体和庆大霉素假体已分别在临床上用于治疗大型关节周围骨缺损和骨折固定。几十年来，噬菌体疗法引起了人们的兴趣，最近的研究将其作为治疗骨髓炎的佐剂进行了研究。例如，在植入物相关骨髓炎小鼠模型中，结合使用全身和局部应用噬菌体衍生的溶菌素(PlySs2)，旨在靶向浮游细菌和生物膜相关细菌，改善清创和植入物保留后金黄色葡萄球菌感染的根除。噬菌体疗法已用于人体局部给药，用于治疗糖尿病脚趾溃疡和其他下肢骨髓炎的有限病例；然而，这些研究涉及的患者人数很少，没有对照组。

BOX 1 急性和慢性骨髓炎的临床指南。

诊断

•查体：发热、全身症状、窦道、皮肤红斑、关节痛

•血清或关节液实验室检测：红细胞沉降率、c反应蛋白(CRP)、外周血培养、血清白细胞计数、α-防御素、D-二聚体、滑膜IL-6、滑膜CRP

•定向放射成像：平片、CT扫描、磁共振成像、骨扫描、核医学研究

•组织培养：图像引导下骨活检、手术组织提取、滑液抽吸

治疗

•病原体导向的全身性抗菌治疗：静脉注射vs.口服

-在慢性骨髓炎的治疗中，具有适当生物利用度的病原体导向口服抗生素可能不输于静脉注射疗法

•病原体导向的全身性(口服和静脉)抗菌治疗:治疗时间

-传统上，最少4-6周的抗生素治疗

-在儿童中较短的治疗时间是可以接受的

-免疫抑制，包括糖尿病和慢性骨髓炎，可能需要更长的时间(6-12周)

-长时间(3个月以上)的口服抗生素抑制可能改善植入的结果

•感染区外科清创术

-植入物相关的慢性骨髓炎、软组织或骨脓肿

-儿童血源性骨髓炎可能不需要

•植入物保留与移除

-植入物保留会导致手术冲洗和清创术的成功率降低

-然而，植入物移除可能会增加患者的发病率，在需要骨骼或关节稳定的特定情况下，或者在植入物移除可能会导致不可接受的患者发病率的情况下(骨折相关、脊柱植入物或关节置换假体)，这可能是不可能的。

•局部抗菌治疗

-含抗生素的水泥、局部抗生素粉、抗生素珠在某些慢性骨髓炎病例中可能有一些好处，但仍存在相当大的争议

-当需要暂时内固定以保持骨稳定时，适用于植入物移除的情况

循证临床指南示例

•儿科传染病学会(PIDS)和美国传染病学会(IDSA)制定的儿童急性血源性骨髓炎诊断和治疗临床实践指南

•骨折相关感染共识组(2020年)

•糖尿病足国际研究组(2019年)

•第二届肌肉骨骼感染国际共识会议论文集(2018年)

•欧洲儿科传染病学会(ESPID)骨和关节感染指南(ESPID指南)

•IDSA成人原发性椎体骨髓炎诊断和治疗临床实践指南(2015年)

•假体周围关节感染国际共识会议论文集(2013)

结论与展望

基于临床问题的严重性以及实验、转化和临床研究技术的进步，骨感染研究重新兴起，阐明了微生物发病机制、生物膜形成、保护性与致病性宿主免疫的新机制，以及开发有效的诊断方法、疫苗和疗法需要克服的重大挑战。此外，国际共识已就这些关键问题达成一致。虽然这项研究的大部分集中在金黄色葡萄球菌上，但基于其在临床骨感染中的患病率以及与这些病例相关的不良结果，对其他具有挑战性的病原菌(如CoNS、链球菌、分枝杆菌和假单胞菌)以及多微生物感染中的条件病原菌的研究是目前的热点。

目前，诊断骨感染仍然是一项重大挑战，因为标准护理培养的不敏感性，由于活检的限制，无法检测出惰性细菌，以及持续的抗生素治疗可能导致假阴性结果。尽管NGS的出现克服了其中一些敏感性问题，但该诊断还存在与污染相关的特异性问题，我们对多微生物感染和致病微生物的微生物群变化缺乏了解。同样，对宿主因素的诊断也有所改进，但敏感性和特异性仍然存在挑战。对于炎症细胞因子(即c-反应蛋白和α-防御素)，检测血清和滑液中高水平的这些蛋白，并结合临床体征和症状，已被证明是非常有效的感染诊断方法，但无法确定毒性生物。相比之下，评估病原体特异性IgGs可以提供特异性；然而，针对最常见病原体的免疫记忆存在敏感性挑战，可能需要对抗原特异性淋巴细胞进行纵向评估。

最近对骨感染和慢性骨髓炎发生过程中细菌入侵、定植和生物膜形成的独特机制的阐明突出了预防和治疗的新靶点和方法。基于OLCN细菌定植的发现，双磷酸盐偶联抗生素和局部递送微球来增强骨靶向和持续抗生素释放的新方法正在测试中。此外，有几种噬菌体疗法正在研究作为复杂骨感染的新疗法。

为了克服骨髓炎疫苗研发的惨淡历史，从抗原发现到临床试验的加速发展，该领域已经退后一步，并投资于复杂的小型、中型和临床相关动物模型，这些模型设计旨在量化特定结果：通过生物发光成像和活体荧光显微镜检查体内细菌生长、骨骼和植入物上的生物膜形成、骨溶解和骨整合以及人体免疫反应。通过这项工作，该领域对骨感染期间的保护性免疫反应和致病性免疫反应有了重要的认识，这有可能转化为预后和有前景的疫苗。有了这方面的知识，利用针对这些细菌靶点的单克隆抗体与抗生素治疗协同进行被动免疫，可作为降低植入物相关骨髓炎手术后高再感染率的疗法。