耐甲氧西林药物传播的危险因素金黄色葡萄球菌在成人重症监护病房：将模型与数据拟合

摘要

当耐甲氧西林时，人们对交叉传播的数量、感染的风险因素以及感染控制程序的相对有效性知之甚少金黄色葡萄球菌（MRSA）感染发生在重症监护病房的高度地方性水平。进行了一项队列研究，以确定与可能是交叉传播导致的病例相关的暴露（即发生在集群中且具有无法区分的MRSA宏观限制性特征）。将一个简单的随机模型拟合到确定的数据，可以预测感染控制措施的有效性。暴露于相对工作人员赤字（调整后比率，1.05独立；95%置信区间，1.02-1.09）是与潜在传播显著相关的唯一因素(P（P）= .001). 据预测，在遵守手卫生政策方面提高12%，可能会弥补工作人员短缺，并防止在过度拥挤、共享护理和高工作量期间传播疾病，但这很难实现。

在英国，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）是医院感染控制的主要问题[1–3]. 重症监护室（ICU）是受影响最严重的地区之一；它们是在医院内以及随后在整个卫生保健网络中传播定植或感染患者的蓄水池[三,4]. 耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）发病率的上升与ICU床位需求的增加相呼应，导致三级ICU的患者更替率和工作人员工作量增加[5–7]. ICU中与MRSA定植/感染相关的风险因素是多方面的，识别这些风险因素的工作必须考虑到患者的处置情况和直接的致病因素，如设备使用、护理人员工作量和遵守手部感染程序。在耐甲氧西林金黄色葡萄球菌高度流行的环境中，很难识别与真正感染接触相关的风险因素，因为患者可能在入院时引入或培养耐甲氧西林金黄色球菌，而不是在ICU中获得病原体。采用全方位方法进行的流行病学研究报告了包含不同致病途径的风险因素，从而稀释了重症监护期间与MRSA暴露相关的这些因素的影响估计。

我们试图通过结合细菌分离物的基因分型和12个月内事件病例的聚类分析来描述MRSA患者的有意义的亚群。此外，我们使用了一个先前验证过的流行病学模型来量化医院内的交叉传播[8]并估计在患者吞吐量高和工作压力大的情况下，需要改善基本的手卫生，以控制MRSA在患者之间的传播。

方法

患者和设置我们招募了1998年5月1日至1999年4月30日期间在一所拥有1500个床位的三级大学医院（英国诺丁汉诺丁汉大学医院）入住ICU的所有患者。诺丁汉大学医院的ICU是一个跨学科的12床位开放式成人重症监护病房，接收创伤、大型普外科或神经外科手术以及呼吸或多器官衰竭后的患者。所有患者都定期接受标准的重症监护，目标是护理人员与患者的比例至少为1:1[9]. 洗手盆和洗手液（70%异丙醇/乙醇）分配器位于所有病床附近。手卫生是一个优先事项，并经常得到强调。在我们的研究中，ICU在给定时间点的MRSA阳性患者数量通常大于1，这使得将MRSA患者隔离到单个可用隔间的尝试徒劳。相反，在护理所有患者时，必须使用一次性围裙、手套和严格的手部卫生。

数据收集。入院时收集的数据是重症监护国家审计和研究中心病例组合计划数据库协议的一部分[10]. 作为ICU内部审计的一部分，获得了患者和治疗特定变量的每日随访数据。记录每位患者的以下变量：年龄、性别、潜在疾病、入院原因、入院紧急程度（二元变量，定义为当患者出现危及生命的情况，需要在24小时内进行医疗干预或按“计划”或“医疗”进行干预时的“紧急”入院），已知的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌携带者（入院前）、既往住院情况和转诊来源、ICU前医院内的直属单位、插管时间和地点、24小时的急性生理学和慢性健康评估（APACHE）II评分、格拉斯哥昏迷评分、在没有机械或药物支持的情况下会衰竭的器官数量，插管持续时间和类型、营养持续时间和种类（全胃肠外或肠内）、肾脏替代治疗、一氧化氮的输送、最近手术的类型和紧急程度、支气管镜检查和设备的使用、需要运送到不同医院区域的放射学和其他诊断程序，以及病房内病床的位置。此外，还记录了ICU的每日床位占用率和护士配备水平。每天早上确定前一天的护士配备水平，并按每班合格护士的平均人数计算，不包括1名不从事即时病人护理的护士。人员配备不足是通过将护士配备水平除以每日床位占用率来确定的，比率<1被认为反映了相对的人员短缺。

接触研究1998年11月下旬，通过对6名患者进行42小时的直接观察，测量了医护人员与个别患者之间的接触率。观察结果在早班、晚班和夜班之间均匀分布。“接触”被定义为与患者或患者的留置装置（如呼吸器导管、导尿管、引流管）的任何身体接触，当接触由护士进行，护士按1:1的比例分配给相应的患者时，被归类为“共同接触”。其他工作人员（通常是医生、物理治疗师或其他护士）的联系人被归类为“非合作”联系人。记录任何接触后进行的手卫生实践。

微生物调查患者在入院后的前24小时内进行耐甲氧西林金黄色葡萄球菌定植筛查，之后每两周进行一次筛查，并从前鼻孔、会阴、腹股沟、腋下和伤口（如果合适）采集拭子样本。临床标本由主治医师根据临床情况自行采集；每周至少采集两次痰和尿样本，这些样本也可作为耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的筛选培养物。一项污染研究独立用于确定常规护理程序后导致卫生保健工作者手部受MRSA污染的接触者比例。这项研究在4个完整（8小时）的轮班期间进行，在轮班期间，在每次与一名MRSA阳性患者接触之前和之后都要确定手的污染。工作人员被要求在脱下手套后用200毫升无菌生理盐水洗手。盐水洗涤液通过0.45 mm无菌细菌过滤器过滤，过滤器置于甘露醇盐琼脂上并培养48小时。

微生物样品按照常规实验室程序进行处理。筛选拭子和所有呼吸道标本的一部分在含有7%NaCl的浓缩肉汤中培养过夜，并在含有2%苯唑西林的甘露醇盐琼脂上培养48小时[11,12].金黄色葡萄球菌通过蛋白A、纤维蛋白原受体、凝固酶和DNA酶的产生进行鉴定。通过扩增有限元法B和地中海A基因[13]. 调查期间获得的所有耐甲氧西林金黄色葡萄球菌分离株均按照既定方案经Sma I限制性消化后，通过脉冲场凝胶电泳（PFGE）进行宏观限制性分析进行基因分型[14].

群集标识通过扫描测试对每日时间序列进行聚类统计（健康事件聚类统计软件Stat！Biomedware），描述了事件病例的显著聚类（患者入院ICU后48小时MRSA阳性）。此测试确定可能性P（P）当窗口沿时间序列连续移动时，在固定宽度的窗口中出现的观察到的案例数的值。无效假设表示案例随机发生，并根据案例在某些时间段聚集的替代假设进行评估[15]. 聚类在10%显著性水平上被识别(P（P）⩽ .1).

案件查明。在ICU治疗3天的患者被纳入研究队列。这确保了MRSA阳性患者和住院期间MRSA阴性患者的观察时间（风险患者天数）以及被确定为病例患者的机会具有可比性。由于英国医院中的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌克隆对大多数一线抗生素具有耐药性，一些ICU患者使用抗生素预计不会限制高密度筛查以确定耐甲氧西林金黄色球菌携带者的能力。一旦患者从重症监护室出院，就停止高密度MRSA筛查。

风险因素分析风险因素分析包括单变量和多变量方法。对于单变量分析，比率（RR）、95%置信区间和P（P）确定分类暴露变量的值。通过趋势得分测试，测试因变量与连续（维度）暴露（例如，年龄、APACHE II评分、支持的器官数量、相对工作人员赤字天数）之间的关联性是否存在显著差异。RR被报告为风险敞口增加1-U的估计值。多元分析采用泊松回归模型，并采取预防措施避免过度拟合。严格的输入标准（单变量分析中P<0.05）和使用正向方法的逐步输入减少了候选变量的数量。通过将交互作用项拟合到回归中来探索效果修正。所有数据均收集在Epi Info数据库（版本6.05；疾病控制和预防中心）中，并由Stata 7.0软件（Stata Corporation）进行分析。

数学模型使用其他地方描述的Ross-Macdonald房室模型分析了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌在ICU的传播动力学([8]; 附录）。传播动力学的强度以净病例繁殖数为特征，R（右）_n个，定义了将一名主要病例患者引入无MRSA ICU后产生（通过传播）的次要定植病例的平均数量。如果不再有感染MRSA的患者入院，那么如果MRSA要继续流行，Rn必须大于1。然而，入院病例患者可以保持在R（右）_n个, 1. 通过假设医护人员和患者之间的随机混合通过队列进行修改，并且手部卫生可以线性减少传播（如果在患者接触后进行），即传统手部卫生是100%有效的，从而将感染控制纳入模型。

使用的参数基于日常数据收集和对医患接触模式的直接观察。模型预测基于调查期间每两个月的平均参数值。每个双月间隔的观察参数为定植和非定植患者的入院率和出院率以及平均员工人数。未参与传播的员工比例，相当于队列概率，q个通过从工作人员与患者的比率（可达到的最大队列分数）中减去非护理人员联系人（例如医生、物理治疗师）的平均观察比例0.175来计算。该模型所需的其他参数包括员工与患者的接触率、洗手/消毒的概率、患者与员工之间以及员工与患者之间的传播概率，以及临时员工携带MRSA的持续时间。只估计了最后两个参数，而没有测量。

由于ICU的患者和工作人员数量较少（通常<30人），随机效应将占主导地位[8]. 我们对模型进行了1000次蒙特卡罗模拟，以提供完整模型的平均值和SD，而不是确定性模型（具有恒定的患者人数）的数值解。该模型用于拟合MRSA克隆/感染患者的数量，并确定R（右）_n个每两个月一次。所有编码都是使用伯克利麦当娜模型完成的；该型号可按要求提供(网址：http://www.berkeleymadona.com).

结果

患者在调查期间，总共有782名患者在ICU接受治疗。从69名患者中分离出MRSA。研究开始时，已有四名耐甲氧西林金黄色葡萄球菌患者在该病房接受治疗。20名在入院时或抵达后48小时内被确定为定植/感染的患者在入院时被认为是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌携带者，随后被排除在研究之外。45名患者在入院48小时后（范围为4–23天）分离出MRSA，这些患者最初的MRSA入院筛查结果为阴性，并且不知道过去是否携带过MRSA。后一种病例的发病率为9.9/1000个患者日。

集群评估。根据以下结果，将45株MRSA原发菌株分为2组Sma公司I宏观限制（PFGE）。17株菌株具有基因型A，13株具有基因型B。5株菌株无法进行分型。基因型A和B的PFGE模式与流行MRSA菌株15和16的PFGE类型没有区别[16]. 随后，在中央公共卫生实验室医院感染实验室（伦敦科林代尔）通过噬菌体分型证实了该菌株的命名。自1991年以来，这两种耐甲氧西林金黄色葡萄球菌菌株都在英国医院中高度流行[17,18].

当扫描数据以确定基因相关菌株的意外分离率时，三组（包括23名患者）变得明显(图1A).一组由5名患者组成，他们在8月28日至9月8日的某个时间点分离出A型MRSA(P（P）= .038; 随机发生的假设）。第二组包括另外5例A型MRSA患者（10月26日至11月9日；P（P）第三组包括13例B型MRSA患者（11月17日至1月18日；P（P）= .001). 其余22名患者的病例发生率为基线发病率，被认为是散发性的。

风险因素共有331名在ICU住了3天的患者被纳入研究队列，并进行了3067天的随访。未感染耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的患者的平均住院时间略长于（尽管不是显著的）耐甲氧西林金黄色葡萄球菌病例患者入院和隔离之间的平均持续时间。两组的调查密度和基本人口统计变量没有差异(表1).

单变量分析（比较暴露的粗略影响）显示，头部创伤或神经外科、气管切开术或肾脏替代治疗的患者以及相对工作人员短缺的患者更容易成为集群的一部分(表2)。零星病例具有不同的风险特征。在紧急入院、从其他医院转院、在ICU入院前接受手术、在到达ICU前接受气道管理或接受支气管镜检查的患者中，这种情况更为常见(表2).

在多变量分析中，暴露于相对工作人员不足是与聚集病例显著相关的唯一变量，而暴露次数、入院紧急程度、24小时APACHE II评分以及是否进行支气管镜检查独立预测了散发MRSA病例中MRSA的获得。暴露于相对工作人员短缺的情况并不影响零星病例的发生(表2).

接触模式和模型预测.对125名医患接触者的观察(表3)结果显示，平均59%的接触者接受了推荐的手部感染程序。在员工赤字最高的轮班期间，合规性最低(表3)。在同一班次中，只有52%和46%的接触者被合并，这表明工作人员需要在一名以上的患者之间分配护理。每班队列水平与工作人员与患者的比率密切相关(第页= 0.8;P（P）= .05). 在工作人员与耐甲氧西林金黄色葡萄球菌阳性患者之间的66次接触中，有10次（15.2%）是在脱下手套后从工作人员的手上分离出来的。

使用每两个月变化一次的观测参数对模型进行随机模拟(表4和5)提供了MRSA流行率的良好定量预测(图1A)和发病率（未显示数据）。计算的净病例繁殖数，R（右）_n个在1998年11月16日至1999年1月15日这两个月期间达到高峰，在此期间，聚集病例数量最多，工作人员赤字最大(图1B)。通过使用观察到的洗手/消毒程序合规性和队列比率，该模型允许计算基本生殖数，R（右）₀（即在缺乏感染控制的情况下产生的继发病例的平均数量）[8]. 在双月高峰时段，即11月至1月，R（右）₀高达10。图2结果表明，在此期间，队列（65%）和洗手依从性（59%）的联合作用使有效病例生殖数降至1.52；R（右）_n个=R（右）₀｛[1−(N个工作人员/N个患者）−0.175]}（1−洗手依从性）。手部卫生依从性或共同接触者数量预计平均增加12%，将使有效病例的生殖数量降至1以下，从而限制传播潜力。

讨论

据我们所知，这是首次对ICU内医院病原体传播进行研究，该研究将风险因素的综合分析与数学模型相结合。对队列研究期间记录的暴露数据拟合随机模型，以描述耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的传播动力学，并预测ICU中两种最重要的感染控制措施的潜在有效性（遵守手卫生程序和使用队列）。

为了确定院内传播病例，我们使用了间接证据，并确定了不太可能独立发生的MRSA定植/感染事件（即在离散时间间隔内形成集群并具有相同的MRSA基因型）。通过使用Sma公司宏观限制性分析作为基因分型工具。这种错误分类会导致过高估计风险敞口的影响，而风险敞口本身会随着日历期间的变化而变化。通过排除无法进行分型的分离株或基因型与已确定集群不同的患者，我们建立了一个流行病学上有意义的分组，并可以报告有效的估计值。我们初步将“员工短缺”定义为床位占用率超过平均轮班人员配备水平的天数。每日床位占用率是衡量一天内通过ICU的整个患者负荷的指标。它比午夜人口普查数据（12:00 PM占用的床位数）更好地衡量了护理人员的需求，因为它还反映了入院和出院所带来的工作量，这些工作量发生在劳动密集期，不太可能由一名护士单独管理[19].

风险分析表明，聚集病例与研究基础（未定植MRSA的患者）存在可预测性差异。单变量分析表明，属于一组患者的患者更可能需要透析，并进行过气管切开术、头部创伤或神经外科手术。这些患者常见的是复杂的留置装置，需要熟练的操作和监测（血管导管、频繁的气管内吸引、心室引流），这必然会增加医患接触率。此外，这些患者在工作人员相对不足的日子里更经常在ICU接受治疗，调整后的RR表明，任何这样的日子都会使特定患者MRSA阳性的可能性增加5%（RR，1.05；表2)。相比之下，对散发病例的单变量分析显示，5个显著风险因素中有4个指向ICU入院前的暴露，这支持了这样一种观点，即这些病例不是患者之间单位内传播的结果，而且，重要的是，未发现散发病例与工作人员短缺之间的关联。根据这些结果，我们得出结论，聚集病例是由于MRSA通过患者对员工对患者的传播而获得的，这很可能发生在工作量增加和共享护理期间。

为了真实地捕捉这种动态，我们采用了中间矢量传播的Ross-Macdonald模型，并引入了额外的案例[8,20]. 该模型假设传播仅通过作为媒介的卫生保健工作者的手进行。这一假设得到了我们研究中有限的环境污染的支持：在取自非克隆患者环境的360个样本中，只有2个样本（一个电脑键盘和一支圆珠笔）发现了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌。通过使用仅进行有限参数估计的观察参数（每次接触受污染患者的定植概率和手部污染持续时间），该模型通过估计病例生殖数，进一步深入了解了潜在的MRSA流行病学，R（右）_n个.该模型正确预测了整个研究期间的患病率，以及R（右）_n个发现从8月到1月的疫情传播率高于统一水平，表明这几个月有可能发生疫情传播。事实上，集群仅在以下情况下发生R（右）_n个高于流行病阈值(R（右）_n个= 1;图1)。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的发病率最高的时期是在冬季。这与聚集性病例数量最多的时期相吻合；从员工与患者的比率来看，员工相对赤字最高；更重要的是，1998年至1999年，英国国家卫生服务局（National Health Service）各医院对冬季压力（活动）增加的认识。

参数估计的一个局限性是，接触研究在一年中的同一时间进行，只有6次。此外，从1:30到9:30没有进行任何观察调幅这可能削弱了我们概括观察到的接触模式的能力，并可能明显引入了偏差。因此，我们通过在最初队列研究之后的一年中重复8次的接触研究来验证最初的估计。对手卫生实践的观察再次表明，55%的患者符合建议的手卫生程序，这与其他观察期间的估计值没有显著差异。接受我们观察结果的局限性，以及传统的手卫生消除了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的手携带以及工作人员的手是唯一的传播方式的假设，可以通过流行病学模型评估各种感染控制措施的有效性。在没有任何手消毒和工作人员队列的情况下，基本病例的生殖数，R（右）⁰，预计高达10(图2); 也就是说，平均而言，一个MRSA携带者的入院将导致10多起病例。感染控制减少了病例的生殖数量(R（右）_n个)11月至次年1月，这表明，尽管在1:1专职护士的所有身体接触中，59%和65%的患者接触后洗手/消毒，但继发病例的平均数量仍然大于1。因此，我们能够预测，如果在遵守手卫生或队列水平方面再提高12%（通过招聘额外工作人员或限制新入院），病例生殖数量将减少到低于流行病阈值。

很少确定非疫情间隔期间繁忙ICU中发生的交叉传播量[21,22]尽管文献中反复表达了充足的人员配备和合理的工作量对控制医院感染至关重要的观点[23–26]，在地方病条件下量化这种关系的研究很少[27–29]. 事实上，只有一项精心设计的队列研究发表（1982年）[27]. 通过干预措施导致感染率的暂时性变化，证明了改进洗手/消毒程序合规性的效果，但尽管有人提出因果关系，但仍难以确定[30]. 迄今为止，还没有有效的方法将这些过程指标（队列概率、遵守手卫生）与流行病学结果测量（确定流行条件下的传播事件）相结合，一个能够测试定量预测的工具将具有相当大的科学和启发式价值；它将提高人们对感染控制实践每个组成部分的绝对和相对有用性的理解，并为许多仍然缺失的干预措施提供证据基础。流行病学模型如果通过观察得到适当验证，就能够准确地提供这种联系。

流行病学模型中的一个关键预测是，将工作人员分配给单个患者（医患队列）在限制传播方面至少与手卫生一样有用，手卫生被广泛认为是唯一最有效的感染控制措施[31]. 毫无疑问，手消毒可以减少并防止传播，但我们的模型表明，在人员不足和高工作量期间，很难达到所需的合规性[32]. 在这种情况下，当几个患者共用护士时，必须提高洗手和洗手的依从性。然而，依从性似乎有一个上限，超过这个上限，手部感染依从性的进一步增加是不现实的。随着工作量的增加，这个阈值会降低，因此需要其他方法进行控制。

我们的发现对临床审计具有重要意义。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）可被视为卫生保健工作者手上传播的其他病原体的标记生物。我们的研究结果证实了最近的报告，即结果的变化可能部分是由于ICU工作量过大所致[33,34]并建议人员配备水平将对这种结果做出可预见的贡献。临床治理和风险管理应在规划期间（如冬季）考虑到这些发现，此时重症监护服务的提供可能面临巨大压力。

致谢

我们感谢Tim Kelly和Deborah Watmough，他们促进了数据输入，并负责医院审计和数据管理。我们感谢伦敦卫生学院的Andy Hall和Jerry Wheeler鼓舞人心的讨论和统计建议，以及Richard Slack和David Greenwood阅读手稿和发表建设性意见。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌分离株的噬菌体分型由伦敦科林代尔中央公共卫生实验室医院感染实验室Hazel Aucken进行。

附录

数学模型

用于描述耐甲氧西林药物动力学的传输模型金黄色葡萄球菌（MRSA）是罗斯-麦克唐纳疟疾传播模型。在这种情况下，可以将卫生保健工作者视为在患者之间传播MRSA的载体。为了模拟某些关键参数的变化性质，即入院患者中MRSA的患病率、住院时间和员工人数，这些参数是在观察的两个月窗口中估计的。

如果X（X）_第页表示未克隆患者；Y（Y）_第页，定植患者；X（X）_秒非克隆化员工；和Y（Y）_秒，则用于描述这些数字变化率的常微分方程如下：哪里B类表示床位数；N个_第页=X（X）_第页+Y（Y）_第页患者数量；和N个_秒(t吨)，员工数量（来自数据）。患者以每张空床的每日住院率（λ）入院，MRSA定植率为φ(t吨)（来自数据）。患者按人均出院率，µ(t吨)，如果未克隆，以及µ_{耐甲氧西林金黄色葡萄球菌}(t吨)如果是定植的（这些参数也是根据患者数据估计的，假设住院时间为1/µ_{耐甲氧西林金黄色葡萄球菌}）。患者接受c（c）卫生保健工作者的接触次数/h，每次接触的传播概率为b条_第页×员工污染的流行率×未合并接触的概率(q个)。据推测，定植患者在逗留期间MRSA仍呈阳性。

工作人员已经c（c）(N个_第页/N个_秒)与患者的接触次数/小时，工作人员在特定接触期间感染MRSA的概率为b条_第页×患者感染率×工作人员接触后立即洗手的概率（消除污染），其中第页是合规率。员工净化率为µ_秒，并且假设这是快速的（瞬时污染，1/µ_秒～1小时）。病例生殖数，R（右）_n个，由给出R（右）₀=c（c）²b条_第页b条_秒(N个_第页/N个_秒)/(µ_秒µ_{耐甲氧西林金黄色葡萄球菌}),R（右）_n个=R（右）₀× (1 −第页)(1 −q个)。该模型是随机模拟的，假设7个事件中的每一个都以小时间步长估计的泊松率发生。使用的参数如下：B类=17，λ=2.46µ(t吨)（以确保71%的入住率），c（c）=3.5个触点/h，b条_第页=0:01（未知，但根据数据拟合估算），b条_秒= 0.15, µ_秒=24名患者/小时，第页=0.6，以及q个=最小值(N个_秒/N个_第页−0.175，1）（占未缩短的医生联系的17.5%）。总之，对该模型进行了1000次模拟，并将该模型拟合到MRSA病例的累积数量。

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