膝关节骨关节炎软骨缺损的修复

膝关节骨关节炎软骨缺损的修复华中科技大学同济医学院附属协和医院吴宏斌目前临床常用的修复方法是什么？其各有什么有缺点？由于骨关节炎确切的发病机制和病理进展过程还不清楚,又由于软骨细胞及软骨基质有独特的生物学特性,目前的许多促软骨修复的方法还处在“前途光明,道路异常曲折”的阶段。膝关节是垂直负重的关节,其关节软骨长期受高压应力的作用,是骨关节炎(OA)患者最容易受累,也是对日常生活能力影响最多的关节。软骨退变缺损是骨关节炎最主要和始动性的病理改变,有关其修复的研究比较多,本文主要从常用的促软骨修复方法、机理、存在的问题及其临床应用几个方面对目前有关骨关节炎软骨修复的研究做一简单介绍。制约软骨修复的软骨生物学因素促骨关节炎软骨修复方法较多,但仍存在问题(一)自体组织移植关节软骨修复报道最早见于1908年Lexer对新鲜异体骨软骨移植的临床应用,当时认为移植后关节功能良好,但术后16年对该组14例患者中2例移植物的组织学研究表明,关节软骨完全被纤维组织替代。随后的动物实验表明,自体关节软骨移植于其他部位时能良好存活,而异体关节软骨则被纤维组织包裹吸收,说明是免疫排斥反应导致移植失败。不过自体骨软骨很难获得,1959年Lester发现肋软骨缺损区在缝合软骨膜后能被软骨组织充填,1972年Ritsila发现骨膜移植成骨的中间阶段是软骨组织,说明骨膜或软骨膜可能成为软骨修复材料。但是这两种修复材料获得的软骨组织质量和生物力学性能均不及正常关节软骨。虽然持续被动运动能够让修复组织的质量更接近于透明软骨,但它们仍然多在一年左右的时间出现软骨退变。另外,不管是骨膜或软骨膜的成软骨能力都与患者的年龄有关,年龄越大,能力越差。因此,这两种材料不适用于年龄较大的骨关节炎患者。由于远期效果不佳,对年龄偏小的软骨缺损患者应用之后疗效也不能保证,所以自体组织移植没有在临床推广。(二)自体细胞移植1962年Calandruccio在幼犬股骨髁部钻孔后,发现软骨缺损部位很快被增生的纤维软骨样组织填充,说明来自软骨下骨的间、充质细胞有成软骨能力。1993年,Shapiro用3H-Cytidine标注的方法,明确证实该法修复的软骨细胞来源于骨髓间充质细胞。虽然该法获得的软骨组织同样很容易退变,不过由于它的成软骨能力受年龄影响不大,而且骨关节炎晚期患者常合并明显的软骨下骨质硬化,将硬化骨钻开的做法很容易被临床医生和患者接受,最重要的是它能明显缓解疼痛,临床上常作为促非负重小关节骨关节炎软骨修复的有效方式。(三)组织工程修复软骨缺损尽管目前软骨组织工程的研究基本处在体外和动物体内实验阶段,距离有效的临床应用尚有艰巨的道路要走,但其发展速度和临床应用前景已受到广泛关注。如果将软骨细胞在体外扩增时转染对细胞分裂或合成有促进作用的生长因子,则能弥补骨关节炎造成的低成软骨能力。生长因子还可使其他一些具有成软骨潜能的细胞如骨髓基质细胞成为良好的移植材料,而后者相对于软骨细胞更容易获得。细胞输入缺损部位后需要有良好的固定让其在缺损处发挥最大的作用。现行的自体软骨细胞移植术采用自体骨膜将软骨细胞包被于缺损处。随访研究表明,该法最常见的副作用就是骨膜肥大增生产生的关节摩擦感和关节肿痛。虽然这些负反应会随时间推移逐渐消退或通过关节镜下清除增生的组织得到控制,但骨膜对修饰细胞的生长因子同样会产生明显的生长性变化,使用修饰因子后该副反应的发生率将会大大增加,因此有必要寻找更好的能承载并将移植细胞固定于软骨缺损部的生物材料。以细胞、因子和材料为主体的组织工程学是近年来促骨关节炎软骨修复研究的重点。有利于软骨细胞修复的细胞因子可以分为三类:(1)促软骨细胞生长及合成代谢:主要有胰岛素样生长因子(IGF)、成纤维生长因子(FGF)等。(2)诱导种子细胞向关节软骨细胞分化:主要有骨形态发生蛋白(BMPs)、TGF-β等。(3)抑制软骨细胞对细胞外基质的降解:如IL-1受体拮抗剂(IL-1Ra)等。以往的许多研究多使用单因子转染,最近有学者发现复合转染BMP-7和IGF-1后,软骨细胞的合成能力明显高于单独转染其中一个因子的合成能力,提示复合转染可能会有更好的修复效果。种子细胞仍然主要为软骨细胞和骨髓基质细胞,这方面的进展主要表现在如何让细胞在体外尽可能扩增而不丧失其良好的成软骨能力,或让软骨细胞复合在生物材料上扩增,体外形成具有透明软骨结构的人工软骨。MartinJA等将端粒酶转入软骨细胞后发现能明显改善老化软骨细胞的成软骨能力,提示软骨细胞的“永生化”研究也可能是改善骨关节炎软骨修复的良好方法。对生物材料的要求主要是能维持或促进种子细胞合成基质,并能逐渐降解让位于新合成的基质。目前应用的都是一些生物相容性较好的有机降解材料,如Ⅰ型胶原、Ⅱ型胶原、聚乳酸、聚乙烯酸复合物(PLA/PGA)、纤维素、海藻酸、明胶和几丁糖衍生物等。虽然有许多动物实验表明组织工程材料修复软骨缺损获得的软骨质量较以前的修复方法更接近于关节透明软骨,但在耐用性上仍无法取代正常软骨。另外,修复软骨和自体软骨之间的整合也非常困难,光镜下很容易看到两者之间的界限或裂隙,软骨基质成分如蛋白多糖和断裂的胶原片断很容易从裂隙中丢失；修复软骨通常薄于正常软骨,导致软骨表面不光滑,这些都可加重软骨退变。有学者认为整合不佳可能与软骨基质中大量的蛋白多糖与其他组织的黏附性能差有关,他们用能除去蛋白多糖的酶预处理软骨缺损的边缘,观察到修复组织与自体组织的连接能力明显提高。另有一些学者发现持续被动运动能改善修复组织与自体软骨间的连接,并使修复软骨的厚度更接近于正常软骨,这说明适当的应力不但能改善软骨细胞的代谢,还能促进软骨间的粘和。考虑到软骨细胞正常的代谢需要良好的应力刺激,许多学者将种子细胞、生长因子和人工基质材料共置于压力可调的封闭式培养基,或是在离心状态下进行培养,确实获得了一些类似透明软骨细胞排列和基质组成的软骨组织,但由于软骨整合问题还没有解决,这些人工软骨植入体内后,仍然很难达到我们所期望的使用寿命。既然材料与软骨、修复软骨与正常软骨的整合问题在目前还难以解决,那么是否可以从另一个方向进行研究？研究结果怎样？(四)关节腔内直接注射转基因的细胞或重组质粒研究人员对关节腔内直接注射转基因细胞或直接关节腔内转染重组质粒治疗OA的可能性进行了研究。DohertyPJ等观测了软骨细胞悬液直接注入关节腔后的分布情况,发现外源性软骨细胞呈斑片状附着在软骨上,随时间延长,其附着的稳定性越好。其后有学者发现软骨细胞可以通过膜上的β1整合素与软骨基质中的Ⅱ型和Ⅵ型胶原相连,这种连接在软骨缺损胶原外露部位更为明显,说明将软骨细胞直接输入关节腔后它们可以在软骨受损部位聚集发挥作用。虽然聚集在受损部位的细胞浓度可能没有采取手术包裹方式那么高,但这种方法为修复非全层软骨缺损和防止早中期软骨退变向晚期进展带来了希望。MurphyJM等将透明质酸承载自体骨髓基质细胞注入羊骨关节炎模型中,也发现与单纯透明质酸组相比,软骨退变程度明显降低。PanRY等将重组的腺相关病毒载体携载IL-1受体撷抗体的基因直接注入鼠膝关节中,不但能在关节液中检测到IL-1Ra,还发现能明显抑制鼠关节炎模型中滑膜炎症,缓解软骨退变。提示如果只是以抑制软骨退变为目的,关节局部的生长因子和炎性因子抑制剂可能不象修复软骨缺损时需要的那么高,将这些因子直接体内转染也能获得良好的结果。基础研究始终是为临床应用服务的,如何让软骨修复真正走向临床？这应该是我们全体医务人员共同努力的方向！临床常使用的修复方法胫骨高位截骨术可以纠正膝关节骨关节炎患者常见的下肢力线紊乱,能明显改善患者的临床症状。虽然最近有许多研究表明,截骨术后软骨缺损区可以长出增生修复的软骨组织,但该组织为表面粗糙极易退变的纤维软骨组织,因此很难期望有良好的远期疗效。关节镜下冲洗,软骨创面修整和微钻孔术的优点在于创伤小,能在短期内去除关节腔内的炎性刺激物和炎性因子,既能迅速改善患者的临床症状,又能为软骨修复提供良好的内环境,但其本质仍然是钻孔后软骨下骨的血供及间充质细胞形成的纤维软骨,临床效果并不理想。关节镜下补片术(paste)将同一关节非负重部位的正常软骨及软骨下骨捣成薄片,然后置于微钻孔后的软骨缺损区,由于修复细胞中含有许多自体正常软骨细胞,随访的组织学研究表明其结构和组成更接近透明软骨,而且症状缓解时间较长(随访时间最长为7年),有良好的应用前景。关节镜下马赛克成形术(mosaicplasty)将许多微小的骨软骨块植于软骨缺损区,实际上是微创的自体骨软骨移植术,由于受到骨关节炎关节局部的病理环境及软骨细胞成软骨能力的影响,在骨关节炎软骨缺损修复中使用较少。总的说来,现在还没有良好的办法修复膝关节骨关节炎软骨缺损,但是在研究软骨修复过程中激发出来的一些新的研究领域如软骨与细胞的黏附机制,软骨细胞的营养机制,软骨细胞受压应力影响的分化机制及相应的生物学功能变化,转入端粒体酶后软骨细胞的“永生化”等将有助于解决修复组织质量差和修复组织与正常组织难以整合在一起的难题,为软骨修复带来突破性的进展。总结参考文献:[1]INSALJN,SCOTTWN.Surgeryoftheknee.Thirdedition[M].HealthScienceAsia,ElsevierScience,2001.327-381.[2]LUL,ZHUX,VALENZUELARG,etal.Biodegradablepolymerscaffoldsforcartilagetissueengineering[J].ClinOrthop,2001,391(Suppl):S251-270.[3]吴宏斌,杜靖远,郑启新,等.MMP-1在创伤性骨关节炎软骨及滑膜中的表达[J].中华创伤杂志,2003,19(1):42-46.[4]徐传达.实用临床骨缺损修复应用解剖学(第2版)[M].北京:中国医药科学技术出版社,2000.169-186.[5]王建,杨志明,解慧琪.离心管内组织工程软骨培养的研究[J].中华实验外科杂志,2003,20(11):1029-1030.[6]王跃,杨志明,解慧琪,等.三种支架材料与软骨细胞复合构建组织工程化软骨的研究[J].中华实验外科杂志,2002,19(2):125-126.[7]MARTINJA,BUCKWALTERJA.Theroleofchondrocytescnenscenceinthepathogenesisofosteoarthritisandinlinitingcartilagerepair[J].JBoneJointSurgAm,2003,85-A(Suppl2):106-110.[8]SHAPIROF,KOIDES,GLIMCHERMJ.Celloriginanddifferentiationintherepairoffull-thincknessdefectsofarticularcartiolage[J].JBoneJointSurgAm,1993,75(4):532-553.[9]FERNANDESJC,MARTEL-PELLETIERJ,PELLETLERJP.Genetherapyforosteoathritis:newperspectivesforthetwenty-firstcentury[J].Clinorthop,2000,379(Suppl):S262-272.