Zapalenie kości i szpiku
Patofizjologia i mechanizm
Zapalenie kości i szpiku (osteomyelitis) to poważne zakażenie kości, najczęściej wywołane przez Staphylococcus aureus, który odpowiada za około 80% przypadków. Patogeneza obejmuje adhezję bakterii do składników macierzy kostnej, tworzenie biofilmu, inwazję sieci kanałowo-lakunkowej osteocytów (OLCN) oraz formowanie ropni, co utrudnia eliminację infekcji i sprzyja przewlekłości choroby. Mechanizmy wirulencji S. aureus, w tym system regulacyjny Agr, kontrolują produkcję toksyn i czynników adhezyjnych, wpływając na przebieg zapalenia. Ostre zapalenie rozwija się w ciągu dni do tygodni, natomiast przewlekłe charakteryzuje się obecnością martwej kości (sekwestrum), involucrum oraz tworzeniem dróg przetokowych. U dzieci krwiopochodne zapalenie kości i szpiku dotyczy głównie przynasad kości, co może prowadzić do uszkodzenia chrząstki nasadowej i septycznego zapalenia stawów. Warto podkreślić, że w przebiegu choroby dochodzi do zwiększonego ciśnienia śródszpikowego i niedokrwienia, co sprzyja martwicy kości i rozprzestrzenianiu się zakażenia.
- Patogeneza zapalenia kości i szpiku (osteomyelitis)
- Mechanizmy patogenezy Staphylococcus aureus
- Tworzenie biofilmu
- Inwazja sieci kanałowo-lakunkowej osteocytów
- Staphylococcal Abscess Communities (SAC)
- Patofizjologia zapalenia kości i szpiku
- Rola układu odpornościowego
- Niedokrwienie, martwica i tworzenie sekwestru
- Specyfika zapalenia kości i szpiku u dzieci
- Quorum sensing i regulacja wirulencji
- Klasyfikacja zapalenia kości i szpiku
- Wpływ na homeostazę kostną
- Nowe koncepcje w patogenezie zapalenia kości i szpiku
- Przewlekłe nawracające wieloogniskowe zapalenie kości i szpiku
- Znaczenie zrozumienia patogenezy zapalenia kości i szpiku
Patogeneza zapalenia kości i szpiku (osteomyelitis)
Zapalenie kości i szpiku (osteomyelitis) to poważne zakażenie kości, które może mieć charakter ostry lub przewlekły. Jest to proces zapalny obejmujący kość i jej struktury, spowodowany przez organizmy ropotwórcze, w tym bakterie, grzyby i mykobakterie, które rozprzestrzeniają się poprzez krwiobieg, złamania lub zabiegi chirurgiczne.12 Zdrowa, nieuszkodzona kość jest odporna na zakażenie. Kość staje się podatna na chorobę przy wprowadzeniu dużego inokulum bakterii, w wyniku urazu, niedokrwienia lub obecności ciał obcych, ponieważ miejsca kostne, do których mogą przyczepiać się mikroorganizmy, zostają odsłonięte.13
Drogi zakażenia kości
Kość może zostać zakażona na kilka sposobów:45
- Drogą krwiopochodną (hematogenną) – poprzez bakteriemiczne zasiedlenie kości z odległego źródła zakażenia
- Poprzez bezpośrednie rozprzestrzenianie się z otaczających tkanek i stawów
- Poprzez bezpośrednią inokulację kości z urazu lub zabiegu chirurgicznego
U pacjentów z cukrzycą zapalenie kości i szpiku zwykle wynika z upośledzonego dopływu krwi do kończyn dolnych, co przyczynia się do osłabienia miejscowej odporności i gojenia skóry, sprzyjając rozprzestrzenianiu się infekcji.4 Zapalenie kości pochodzące z przylegających tkanek często rozwija się u pacjentów osłabionych, przykutych do wózka inwalidzkiego lub łóżka, u których występują predyspozycje do owrzodzeń skóry związanych z uciskiem, zwłaszcza w okolicy kości krzyżowej, pośladków, bioder i pięt.4
Rola patogenów w zapaleniu kości i szpiku
Najczęstszym patogenem odpowiedzialnym za zapalenie kości i szpiku jest Staphylococcus aureus, który stanowi przyczynę nawet 80% przypadków.85 S. aureus przyczepia się do kości, wyrażając receptory zwane adhezynami, które wiążą się z niektórymi składnikami macierzy kostnej, w tym lamininą, kolagenem, fibronektyną i sjaloglikoproteiną kostną.19 Bakterie te mogą posiadać różne czynniki wirulencji, które przyczyniają się do rozwoju zapalenia kości i szpiku, promując adhezję bakteryjną, odporność na mechanizmy obronne gospodarza i aktywność proteolityczną.1011
S. aureus wykazuje szczególną patogenność w zakażeniach układu kostnego ze względu na swoją wyjątkową zdolność do inwazji, kolonizacji i rozwoju w tkance kostnej.12 Niedawne odkrycia ujawniły nowe mechanizmy patogenezy i przetrwania S. aureus w tkance kostnej, w tym:1314
- Biofilmy związane z implantami
- Tworzenie ropni
- Inwazja sieci kanalikowo-lakunkowej osteocytów (OLCN)
- Tworzenie ropni w tkance miękkiej i szpiku kostnym
- Formowanie glikokaliksu na sprzęcie implantacyjnym i martwej tkance
Mechanizmy patogenezy Staphylococcus aureus
Tworzenie biofilmu
Ważnym i dobrze zbadanym mechanizmem patogenezy S. aureus w zapaleniu kości i szpiku jest tworzenie biofilmu.15 Biofilm to konsorcjum mikroorganizmów osadzonych w egzopolisacharydowej macierzy, które są odporne na leki przeciwdrobnoustrojowe i odpowiedź immunologiczną gospodarza.7 Formowanie biofilmu przebiega w pięciu etapach:16
- Adhezja – bakterie przyczepiają się do białek gospodarza
- Produkcja macierzy zewnątrzkomórkowej
- Kolonizacja
- Dojrzewanie
- Rozproszenie bakterii
Po przyczepieniu się do macierzy kostnej, bakterie wytwarzają biofilm, który umożliwia im przetrwanie w nieprzyjaznym środowisku poprzez różne mechanizmy. Antybiotyki napotykają mechaniczne i osmotyczne wyzwania przy penetracji biofilmu, podczas gdy obniżona szybkość wzrostu bakterii z powodu niepełnej penetracji substratów metabolicznych i akumulacji produktów odpadowych czyni bakterie oparte na biofilmie jeszcze bardziej odpornymi.1618
Inwazja sieci kanałowo-lakunkowej osteocytów
Inwazja S. aureus do sieci kanałowo-lakunkowej osteocytów (OLCN), najczęściej w obrębie sekwestru, umożliwia uniknięcie komórek odpornościowych gospodarza podczas zapalenia kości i szpiku i wymaga deformacji S. aureus, aby wniknąć do kanalików kości.15 Jest to trzeci i najnowiej odkryty rezerwuar bakterii w przewlekłym zapaleniu kości i szpiku.19 Obserwacje sugerują, że S. aureus może przetrwać przez dziesięciolecia w OLCN z niewyczerpanym źródłem składników odżywczych, jednocześnie unikając ataku immunologicznego.19
Staphylococcal Abscess Communities (SAC)
Obecność ropni gronkowcowych (SAC) w miejscu zakażenia kości jest często używana do diagnozowania i/lub klasyfikacji stadium zapalenia kości i szpiku, ponieważ SAC mogą znacznie zwiększyć nasilenie zakażeń poprzez ograniczenie przepływu krwi do danego obszaru.15 Tworzenie SAC stanowi skuteczną manipulację odpowiedzią gospodarza w celu przedłużenia przeżycia S. aureus w tkankach miękkich.15
S. aureus najpierw umożliwia tworzenie ochronnej pseudotorebki włóknistej dzięki aktywności koagulazy (CoA) i białka wiążącego czynnik von Willebranda (vWbp), które wiążą protrombinę, aby aktywować jej konwersję fibrynogenu do fibryny.1520 S. aureus wykorzystuje białka wychwytujące żelazo IsdA, IsdB i IsdH do wiązania hemoglobiny w celu wydobycia hemu jako źródła żelaza.21
Patofizjologia zapalenia kości i szpiku
Rola układu odpornościowego
Gdy bakterie dostają się do jamy szpikowej kości, niezależnie od drogi dostępu, przyczepiają się do białek błonowych, takich jak fibronektyna czy receptory kolagenu, ustanawiając infekcję.9 Infekcja wywołuje odpowiedź zapalną, prowadząc do zwiększonej przepuszczalności naczyń, obrzęku i rekrutacji leukocytów wielojądrzastych.22 Ta ropna wydzielina zwiększa ciśnienie w kanale szpikowym i może dodatkowo utrudniać przepływ krwi.22
Wrodzona odpowiedź immunologiczna jest kluczowa we wczesnej fazie kolonizacji bakteryjnej. Jest wyzwalana w miejscu zakażenia bakteryjnego przez produkcję cytokin, takich jak interleukina-1 (IL-1), IL-6 i czynnik martwicy nowotworów (TNF).16 Nabyta lub adaptacyjna odporność jest odpowiedzialna za eliminację przewlekłych lub uporczywych infekcji i odgrywa również ważną rolę w zapobieganiu nawrotom.16
W miarę namnażania się bakterii, skąpo funkcjonujące fagocyty uwalniają enzymy, które lizują kość, tworząc odpowiedź zapalną. Prowadzi to do powstawania ropy (bogatego w białko wysięku zawierającego martwe fagocyty, szczątki tkanek i mikroorganizmy), zwiększając ciśnienie śródszpikowe w danym obszarze i dalej ograniczając już i tak upośledzony dopływ krwi.1011
Niedokrwienie, martwica i tworzenie sekwestru
Zapalenie kości i szpiku ma tendencję do zamykania miejscowych naczyń krwionośnych, co powoduje martwicę kości i miejscowe rozprzestrzenianie się zakażenia.2 Infekcja może rozszerzać się przez korę kości i rozprzestrzeniać się pod okostną, z tworzeniem ropni podskórnych, które mogą samoistnie drenować przez skórę.2
Zakażenie i tworzenie ropy w tym regionie odwarstwiają okostną od trzonu i stymulują odpowiedź osteoblastyczną. W rezultacie tworzy się nowa kość w odpowiedzi na odwarstwienie okostnej. Część martwej kości może się oddzielić – jest to tzw. sekwestr.2324
W ciężkim zakażeniu cały trzon jest otoczony osłoną nowej kości, która jest określana jako involucrum. Gdy to nastąpi, znaczna część trzonu zostaje pozbawiona dopływu krwi. Involucrum może mieć otwory zwane cloacae, które umożliwiają wydobywanie się ropy z kości, prowadząc do pełnoobjawowej choroby.232425
Przewlekłe zapalenie kości i szpiku charakteryzuje się osteolizą w połączeniu z naprawczą osteosklerozą, której celem jest ograniczenie procesu zapalnego.26 Zmiany patologiczne w przewlekłym zapaleniu kości i szpiku są wynikiem martwicy kości spowodowanej przerwaniem wewnątrzkostnego i okostnowego dopływu krwi podczas ostrej fazy choroby.8
Specyfika zapalenia kości i szpiku u dzieci
Krwiopochodne zapalenie kości i szpiku ma bardziej skonsolidowane dane w literaturze medycznej i jest uważane za chorobę występującą głównie u dzieci, z 85% pacjentów poniżej 17 roku życia.27 W grupie wiekowej 0-18 miesięcy, nasada i przynasada mają komunikujące się naczynia, które powodują bezpośrednie rozprzestrzenianie się zakażenia z przynasady do nasady.23
Gdy zakażenie rozprzestrzenia się do nasady, prowadzi to do zniszczenia chrząstki nasadowej i wtórnego centrum kostnienia, co skutkuje trwałym upośledzeniem wzrostu. Rozprzestrzenianie się do nasady prowadzi również do wyższej częstości występowania septycznego zapalenia stawów.2328
Ropnie podokostnowe są częstsze u dzieci niż u dorosłych z dwóch głównych powodów. U dzieci kość korowa jest cieńsza i łatwiej ulega pęknięciu, prowadząc do rozprzestrzeniania się zakażenia z jamy szpikowej do przestrzeni podokostnowej. Okostna u dzieci jest również luźniej przymocowana do powierzchni kory i łatwo się oddziela, umożliwiając gromadzenie się ropy pod warstwą okostnej jako ropień podokostnowy.8
Quorum sensing i regulacja wirulencji
Podczas zapalenia kości i szpiku S. aureus tworzy charakterystyczne wielokomórkowe mikrokolonie w różnych niszach w kości.29 Odpowiedzi wirulencji i metaboliczne w tych wielokomórkowych mikrokoloniach są koordynowane częściowo przez quorum sensing poprzez locus regulatora genu dodatkowego (agr), który pozwala populacjom gronkowców na produkcję toksyn i adaptację w odpowiedzi na gęstość bakterii.29
System Agr jest kluczowym mediatorem odpowiedzi bakteryjnej na bodźce środowiskowe i reguluje produkcję wielu czynników S. aureus promujących przeżycie i rozprzestrzenianie się bakterii.20 System dwuskładnikowy Agr odpowiada za kontrolowanie krytycznych genów toksyn zaangażowanych w patogenezę S. aureus, w tym hemolizyn i modulin rozpuszczalnych w fenolu (PSM), jednocześnie hamując produkcję białek zaangażowanych w adhezję i agregację bakterii, takich jak koagulaza (Coa) i białko wiążące czynnik von Willebranda (vWbp).20
S. aureus reaguje na stres immunologiczny i odżywczy częściowo przez wydzielanie czynników wirulencji, w tym enzymów degradujących tkanki gospodarza, toksyn cytolitycznych atakujących komórki gospodarza i cząsteczek unieszkodliwiających obronę immunologiczną.30 System regulacyjny Agr może kontrolować produkcję toksyn i innych czynników wirulencji poprzez bezpośrednią aktywację/represję genów przez AgrA lub RNAIII, kontrolę translacyjną poprzez parowanie zasad RNAIII z mRNA oraz poprzez tworzenie dupleksu mRNA RNAIII, który promuje aktywność endonukleazy dla degradacji mRNA.30
Klasyfikacja zapalenia kości i szpiku
Zapalenie kości i szpiku może być podzielone na dwie główne kategorie w oparciu o patogenezę zakażenia:3132
- Krwiopochodne zapalenie kości i szpiku
- Niekrwiopochodne zapalenie kości i szpiku, które rozwija się w sąsiedztwie ogniska zakażenia lub przez bezpośrednie wprowadzenie zakażenia do kości
Zarówno krwiopochodne, jak i ogniskowe zapalenie kości i szpiku można sklasyfikować jako ostre lub przewlekłe.31 Ostre zapalenie kości i szpiku rozwija się w ciągu kilku dni do tygodni i może przekształcić się w przewlekłe zakażenie.31
Głównym objawem histopatologicznym przewlekłego zapalenia kości i szpiku jest obecność martwej kości (sekwestrum).31 Inne typowe cechy przewlekłego zapalenia kości i szpiku to involucrum (reaktywna kostna otoczka sekwestrum), miejscowa utrata kości oraz, jeśli występuje rozprzestrzenianie się przez kość korową, drogi przetokowe.3132
Ropień Brodiego to forma podostrego zapalenia kości i szpiku, która zwykle ma pochodzenie krwiopochodne, ale może wystąpić w wyniku urazu; klasyczna prezentacja ropnia Brodiego składa się z jamy wypełnionej ropą i/lub ziarniną w przynasadzie kości długiej, otoczonej gęstą tkanką włóknistą i sklerotyczną kością.3334
| Klasyfikacja | Charakterystyka | Patogeneza |
|---|---|---|
| Ostre zapalenie kości i szpiku | Rozwija się w ciągu kilku dni do tygodni, główne objawy histopatologiczne to mikroorganizmy, przekrwione lub zakrzepłe naczynia krwionośne i nacieki neutrofilów | Zakażenie bakteryjne, zapalne zniszczenie kości, zaburzenia mikronaczyniowe |
| Przewlekłe zapalenie kości i szpiku | Charakteryzuje się obecnością martwej kości (sekwestrum), inwolucrum, miejscową utratą kości, drogami przetokowymi | Niedokrwienie, formowanie biofilmu, kolonizacja OLCN, unikanie układu odpornościowego |
| Krwiopochodne | Często dotyczy dzieci, bakteriemia z odległego źródła, zwykle monomikrobialne | Zasiedlenie bakterii w dobrze ukrwionych przynasadach kości, gdzie występuje powolny przepływ krwi |
| Niekrwiopochodne | Związane z wcześniejszą operacją, urazem, ranami lub słabym ukrwieniem, często polimikrobialne | Bezpośrednia inokulacja lub rozprzestrzenianie z przyległych tkanek miękkich |
| Ropień Brodiego | Jama wypełniona ropą w przynasadzie kości długiej, otoczona gęstą tkanką włóknistą i sklerotyczną kością | Zazwyczaj pochodzenie krwiopochodne, podostre zapalenie |
Wpływ na homeostazę kostną
Podczas zapalenia kości i szpiku system Agr znacząco przyczynia się do zaburzenia homeostazy szkieletowej i ciężkości choroby, ale może również paradoksalnie hamować przetrwanie w organizmie gospodarza.29 Układ odpornościowy odgrywa kluczową rolę w obronie przed zakażeniami układu kostnego i utrzymaniu homeostazy kostnej.21
Zarówno cytokiny zapalne, jak i mediatory uwalniane podczas zakażenia, a w niektórych przypadkach same produkty bakteryjne, mogą wyzwalać resorpcję kości poprzez aktywację osteoklastów lub stymulowanie komórek fagocytarnych do przyjęcia fenotypu resorpcji kości.37 Utrata kości rozpoczyna się wokół martwego obszaru, powodując oddzielenie martwego obszaru kości od otaczającej żywej kości, ostatecznie tworząc sekwestrum.38
Gdy dochodzi do odwarstwienia okostnej, wynikająca z tego reakcja okostnowa wytwarza osłonę nowej kości, involucrum, wokół martwej kości.38 Stan fizjologiczny gospodarza determinuje nie tylko kliniczny zakres choroby, ale także zdolność lekarza do wyleczenia.26
Nowe koncepcje w patogenezie zapalenia kości i szpiku
Niedawne odkrycia w dziedzinie zakażeń układu kostnego zakwestionowały niektóre ustalone paradygmaty, w tym ostre i przewlekłe zapalenie kości i szpiku, wewnątrzkomórkowe zakażenie komórek kostnych oraz skuteczność cementu kostnego nasączonego antybiotykiem.14
Wewnątrzkomórkowa przetrwałość S. aureus w zapaleniu kości i szpiku in vivo pozostaje przedmiotem intensywnej debaty z powodu braku przekonujących dowodów in vivo.19 W przeciwieństwie do wcześniejszych założeń, badania nie zidentyfikowały wewnątrzkomórkowo zakażonych żywych komórek kostnych, natomiast rutynowo obserwowano wewnątrzkomórkowe zakażenie leukocytów, tzw. „konie trojańskie”, u zwierząt z posocznicą i pacjentów.39
Odkrycie inwazji OLCN jest szczególnie niepokojące w leczeniu zapalenia kości i szpiku związanego z implantami, ponieważ niemożliwe jest ustalenie, czy wszystkie segmenty zakażonej kości zostały całkowicie oczyszczone.39
Przewlekłe nawracające wieloogniskowe zapalenie kości i szpiku
Ważne jest, aby być świadomym aseptycznej formy zapalenia kości i szpiku znanej jako przewlekłe nawracające wieloogniskowe zapalenie kości i szpiku (CRMO), które dotyczy głównie dzieci i młodzieży.8 Posiewy krwi i biopsje kości w CRMO nie wykazują wzrostu drobnoustrojów i nie ma odpowiedzi na antybiotyki.8
Chociaż etiologia CRMO nie została jednoznacznie ustalona, postuluje się przyczynę autoimmunologiczną i istnieje znany związek z chorobami zapalnymi jelit.840 Patofizjologia choroby jest również nieznana. Monocyty pacjentów z CRMO wykazują zmniejszoną produkcję interleukiny-10 (IL-10), co wyzwala aktywację inflamasomu i zaburzenie równowagi między cytokinami prozapalnymi (IL-12, TNF-, IL-20, IL-6) a cytokinami przeciwzapalnymi (IL-10, IL-19, IL-1RN), prowadząc do aktywacji osteoklastów i stanu zapalnego kości.41
Znaczenie zrozumienia patogenezy zapalenia kości i szpiku
Zrozumienie patogenezy zapalenia kości i szpiku jest niezbędne do rozpoznania i interpretacji jego objawów obrazowych oraz do opracowania skutecznych strategii leczenia.842 Zmienny obraz radiologiczny zapalenia kości i szpiku można wytłumaczyć różnymi mechanizmami patogenetycznymi zaangażowanymi w rozprzestrzenianie się zakażenia oraz zależnym od wieku unaczynieniem kości.43
Skuteczne leczenie zapalenia kości i szpiku wymaga współpracy różnych specjalności medycznych i chirurgicznych. Dwa główne aspekty terapii to chirurgiczne opanowanie zakażenia i przedłużona antybiotykoterapia.44 Przedłużona antybiotykoterapia jest podstawą leczenia zapalenia kości i szpiku. Wyniki posiewu i antybiogramu powinny kierować leczeniem antybiotykami, jeśli to możliwe, ale w przypadku braku tych danych rozsądne jest rozpoczęcie empirycznej antybiotykoterapii.44
Dalsze badania nad dokładnymi mechanizmami patogenezy zapalenia kości i szpiku są niezbędne do opracowania bardziej skutecznych strategii leczenia tego skomplikowanego zakażenia kości.4546
Kolejne rozdziały
Zapraszamy do dalszego czytania naszego leksykonu.
Wybierz kolejny rozdział z menu poniżej, aby otworzyć nową podstronę kompedium wiedzy i uzyskać szczegółowe informację o leku, substancji lub chorobie.