基于Boruta算法指导抗生素骨水泥治疗糖尿病足溃疡：微生物组与药物敏感性分析

　　本研究利用Boruta机器学习算法，结合糖尿病足溃疡（DFU）创面微生物组分析和药敏试验，系统筛选出适合加入骨水泥的抗生素。结果显示，革兰阳性菌（尤其是金黄色葡萄球菌）占比最高，推荐针对革兰阳性菌使用莫西沙星（MFX）、氨苄西林（AMP）和奎奴普丁-达福普汀（QDA），针对革兰阴性菌使用庆大霉素（GEN）和妥布霉素（TOB）。该研究为DFU个体化抗感染治疗提供了数据支持和新策略。

　　

背景

糖尿病足溃疡（DFU）是糖尿病最严重的并发症之一，其感染（DFI）常导致患者截肢甚至死亡。抗生素骨水泥作为一种新型局部给药系统，可缓慢释放高浓度抗生素，有效控制感染并促进创面愈合。然而，目前缺乏针对DFU病原谱的抗生素筛选指导策略。本研究旨在通过分析DFU创面微生物组成，并利用Boruta算法筛选出适用于骨水泥的敏感抗生素，为临床个体化治疗提供依据。

材料与方法

研究纳入2020–2024年间在淄博市中心医院接受抗生素骨水泥治疗的2型糖尿病合并DFU感染（Wagner 3–4级）的患者102例。采集创面分泌物进行细菌培养，采用Matrix Assisted Laser Desorption Ionization Time of Flight Mass Spectrometry（MALDI-TOF MS）进行菌种鉴定，并使用Microscan WalkAway 96 plus或VITEK 2 Compact系统进行药敏试验。药敏结果依据CLSI标准判定。

研究采用Boruta算法——一种基于随机森林的特征选择方法，以年龄和性别为关键变量，筛选与细菌敏感性显著相关的抗生素。该算法通过构建“影子特征”作为随机基线，计算各原始特征的Z值，从而识别出真正重要的预测变量。

结果

3.1 患者基本特征

102例患者中，男性75例，女性27例，年龄16–90岁。66例患者经抗生素骨水泥治疗后痊愈，36例出现复发。

3.2 病原菌分布

83例为单一细菌感染，19例为混合感染。革兰阳性菌占75.63%，以金黄色葡萄球菌（34.46%）和粪肠球菌（12.16%）为主；革兰阴性菌占44.12%，以肺炎克雷伯菌（8.18%）、大肠埃希菌（7.16%）和奇异变形杆菌（7.16%）常见。

3.3 药敏结果与Boruta特征筛选

药敏结果显示，革兰阳性菌整体敏感性高于革兰阴性菌。通过Boruta算法分析发现：

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  与性别显著相关的革兰阳性菌敏感药物包括：MFX、QDA、克林霉素（CLI）、AMP、四环素（TCY）、环丙沙星（CIP）和利福平（RIF）。

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  与年龄显著相关的革兰阳性菌敏感药物包括：MFX、AMP、CLI、QDA和RIF。

  综合推荐可用于骨水泥的革兰阳性菌抗生素为MFX、AMP和QDA（RIF因影响骨水泥聚合而不建议使用）。

对革兰阴性菌，GEN、AMP和TOB与性别和年龄均显著相关。最终推荐GEN和TOB用于骨水泥治疗。

3.4 累积敏感性分析

研究进一步绘制了不同抗生素随住院时间的累积敏感性曲线：

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  对于革兰阳性菌，MFX、AMP、CLI和QDA在50岁以上人群中表现出更高且持续的敏感性。

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  对于革兰阴性菌，GEN和TOB在男性及50岁以上患者中敏感性更显著。

  AMP虽对两类细菌均敏感，但其对革兰阴性菌的敏感性在女性和50岁以下人群中较低。

讨论

本研究通过微生物组分析与机器学习相结合，提出了基于DFU病原特点的抗生素骨水泥个体化用药策略。金黄色葡萄球菌是全球DFU最常见的病原菌，与本研究发现一致。

抗生素骨水泥通过局部缓释高浓度药物，可有效穿透生物膜，克服全身给药的局限。所选抗生素需满足热稳定性、不影响骨水泥聚合、释放特性好、抗菌谱广等条件。本研究推荐的MFX、AMP、QDA、GEN和TOB均符合上述要求，且与骨水泥相容性良好。

值得注意的是，MRSA（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）检出率达18.75%，此类感染需联合万古霉素骨水泥治疗。对于多重耐药革兰阴性菌，可考虑使用美罗培南。

研究的局限性包括样本量较小、未常规进行厌氧菌培养、对混合感染分析不足等。未来需结合宏基因组测序等新技术，更全面揭示DFU微生物群落。

结论

年龄是影响抗生素累积敏感性的重要因素。革兰阳性菌感染更为常见，推荐使用MFX、AMP和QDA；革兰阴性菌推荐GEN和TOB。本研究为DFU的抗生素骨水泥治疗提供了算法指导下的精准用药策略，具有重要的临床转化价值。