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中国运动医学杂志ChineseJournalofSportsMedicine1998年第17卷第3期(1998年8月7日出版)兔早期骨关节病发病机制研究北京医科大学运动医学研究所（100083）赵京元于长隆敖英芳邱平刘燕提要运用切断内侧副韧带及切除内侧半月板的方法，制作兔早期骨关节病动物模型，研究早期骨关节病的病理变化以及探讨早期骨关节病的发病机制。结果表明：术后5－10天时，在扫描电镜显示关节软骨表面的胶原网架结构完整情况下，软骨细胞及基质中蛋白多糖已有明显变化。术后15－30天，扫描电镜显示软骨表面胶原网架结构裸露、断裂等改变；组织化学、组织学出现典型骨关节病变化。由此，本文提出一种骨关节病的发病机制，即在胶原网架结构完整的情况下，持续较小外力可先使胶原网架内的软骨细胞发生改变，然后造成胶原网架的破坏，再导致骨关节病的发生。关键词早期骨关节病发病机制扫描电镜TheStudyofPathogenesisofEarlyOsteoarthritisinRabbitsZhaoJingyuan,YuChanglong,AoYingfang,etalInstituteofSportsMedicine,BeijingMedicalUniversityUsingthemethodofexercisingthemedialcollateralligamentandextirpatingthemedialmeniscus,ananimalmodelofearlyosteoarthritis(OA)isproducedtostudythechangesofcartilagedegenerationandthepathogenesisofearlyOA.5to10daysafteroperation,underscanningelectronmicroscope(SEM),articularcartilagesurfaceshowedcollagenfibersnetworkwasintact.However,cartilagedegenerativechangeswerefoundhistologicallyandhistochemically.15to30daysafteroperation,underSEM,articularcartilagesurfaceshowedcollagenfibersnetworkwereexposedandbroken,thetypicaldegenerationchangesofOAwereobservedhistochemicallyandhistologically.ThisreportdescribesanothertheoryofpathagenesisofOA.Whentheviolenceisnottoogreattobreakthestructureofcollagenfibersnetwork,chondrocytesunderthenetworkarefirstdistured,furthermore,thestructrueofcartilageisdamagedanddevelopmentofOAisinevitable.Keyword:earlyosteoarthritisscanningelectronmicroscopypathogenesis本文从研究早期骨关节病的病理变化着手，探讨早期骨关节病发病机制，目的在于观察早期骨关节病时软骨细胞、蛋白多糖和胶原纤维之间的关系，探索骨关节病发病机制，为临床早期诊断、治疗和预防骨关节病提供理论依据。1材料与方法1．2动物及处理19只5－6月新西兰兔，体重2．1－2．5Kg,X线证实无膝关节骨关节病征象。每只动物左膝关节施行手术，右侧膝关节做对照。动物经氨基甲酸乙酯耳缘静脉注射麻醉，左膝关节术区备皮。将动物左膝关节屈曲90度，仰卧固定于实验台上。在无菌条件下行膝内侧髌骨旁切口，仔细解剖内侧副韧带，切断并切除内侧副韧带0．5cm;打开关节腔，切除内侧半月板，止血，冲洗；检查关节软骨无人为损伤，丝线缝合关节腔及皮肤。术后检查左膝关节处于不稳定状态。每只动物肌注20万单位青霉素。1．2标本取材及制备动物分别于5天，10天，15天，20天，25天，30天处死，其中5天组5只，10和15天组各4只，以后每组各2只。处死前动物行双侧膝关节X线检查，检查术侧膝关节处于不稳定状态。处死后的动物双侧膝关节完整切除，于10％多聚甲醛液体中固定3天，在甲酸－枸橼酸钠(25％甲酸和10％枸橼酸钠混合液，PH＝2．5)脱钙液体中脱钙8－10天，取膝关节股骨滑车部软骨，胫骨平台及膑骨处软骨，滑膜、关节囊等组织经脱水，透明，浸蜡，组织包埋。包埋好组织的蜡块进行切片，切片厚度为5μm，行HE和甲苯胺蓝染色。取股骨内髁滑车远端、胫骨平台内侧半月板区、髌骨内侧软骨表面做扫描电镜检查。标本取材后，经戊二醛固定，蔗糖冲洗液冲洗及锇酸处理后，进行临界点干燥，喷金镀膜，完成电镜标本制作，在扫描电镜下观察标本(日立S－450）。2结果2．1X线检查：双侧膝关节X－线正侧位检查：无骨关节病征像。30天时，一只动物术侧股骨髁部骨密度较对照侧增高，未发现骨赘及骨囊性变等骨性改变。2．2肉眼观察：对照组软骨表面呈白色、光泽，无损伤，滑膜、关节囊等关节软组织正常。术后5－10天，术侧关节软骨表面无明显变化，滑膜轻度充血、水肿；切断的内侧副韧带萎缩不明显。15天时，股骨内髁滑车远端软骨表面色泽变暗，20天时出现糜烂；术后30天时胫骨和髌骨软骨表面出现色泽变暗，无糜烂现象。15－30天时，滑膜充血、水肿明显，略有增厚。切断的内侧副韧带萎缩明显。2．3光镜观察：HE染色显示：正常软骨基质染成粉红色，着色均匀，软骨细胞核呈深蓝色。软骨细胞分4层，表层软骨细胞呈梭形，近似水平排列。中间层软骨细胞呈散在无序排列。柱状层软骨细胞呈柱状排列，其下方为潮线。钙化软骨层的细胞较大，其下方是骨质及骨髓腔。甲苯胺蓝染色显示：正常软骨基质呈紫红色，染色均一，软骨细胞核呈蓝黑色；软骨细胞排列有序，分为4层：表层软骨细胞呈梭形，近似水平排列。中间层软骨细胞为圆形，细胞呈散在、无序排列。柱状层软骨细胞呈柱状排列，其下方为潮线。钙化软骨层的细胞较大，周围深染，其下方为骨质和骨髓腔。术后5天时，术侧关节软骨表层可见单一软骨陷窝内有两个细胞核聚集，于软骨表层及中间层交界处，偶见大的、形态不规则的细胞；细胞排列紊乱，软骨内细胞密度不均一，部分区域细胞密度增加或减少。甲苯胺蓝染色显示，软骨细胞周围深染，远离软骨细胞处基质浅染，部分区域软骨全层染色消失。10天时软骨细胞簇聚成团，簇聚细胞周围重染，可见软骨细胞核缩、核溶、坏死，基质中偶见空的软骨陷窝，其周围淡染。15－30天时软骨细胞排列进一步紊乱，细胞数目减少，细胞簇聚，其周围深染。细胞核缩、核溶、坏死现象明显增多，软骨基质内出现较多空的软骨陷窝，基质染色深浅不一。2．4扫描电镜观察正常关节软骨表面并不光滑，有突起和凹陷，呈“垄沟”样排列；垄部及沟部相互平行，走向一致，相邻两个垄部之间的距离基本相等。垄的表面呈半圆形，较为光滑，垄的高度和沟的深度均匀一致。软骨表面无血管及细胞分布，胶原纤维不裸露。术后5－10天，术侧关节软骨表面“垄沟”样排列可见，垄部低平，略粗糙；沟部变浅，无软骨细胞及胶原纤维裸露。15－30天时，局部软骨表面“垄沟样”排列消失，形成一个浅的凹陷，其边缘不规则。凹陷中心处，胶原纤维裸露、断裂，胶原纤维粗细不均，软骨细胞裸露、簇聚和空的软骨陷窝。可见红细胞、巨噬细胞及白细胞存在于软骨表面。3讨论本实验观察兔膝关节早期骨关节病的组织学、组织化学和扫描电镜的改变。肉眼观察术后15天时股骨内髁滑车远端软骨表面首先损伤，这可能由于内侧副韧带切断及内侧半月板切除后，膝关节不稳定，膑骨在滑车上不稳定运动造成的。由于软骨损伤首先出现在股骨内髁滑车远端，因此，扫描电镜观察的标本在此处取材，确保扫描电镜观察结果的准确性。骨关节病的发生主要是由关节软骨相互磨擦和撞击引起软骨细胞的死亡和软骨退变所致，内分泌的改变，滑液性质的改变，软骨营养条件的改变等均能导致骨关节病。传统观点认为创伤性骨关节病的发病机制为：关节软骨组织由软骨细胞和软骨基质组成，软骨细胞分泌基质。基质中各不同方向的胶原纤维组成无数个“网状拱形结构”。软骨表面胶原纤维平行于骨呈切线方向走行，形成“薄壳结构”。软骨基质保护软骨细胞并维持关节软骨正常结构及功能。关节软骨受伤后，基质中胶原纤维组成的“拱形结构”破坏，承重时不能向周围传递压力，则压力不能分散，局部压强增大，结果改变了软骨正常压力分布，造成软骨细胞受到过大压力。同时，生理性压力改变、基质破坏后失去正常弹性，软骨营养障碍，出现软骨细胞退行性变、坏死，软骨细胞受损后不能再分泌产生胶原纤维使软骨进一步破坏［2］。这一理论阐述了软骨受伤后，其胶原网架结构首先受到损伤，发生断裂，然后软骨细胞由于失去网架结构的保护而出现变性、坏死的骨关节病病理发展过程。本实验结果发现：在骨关节病发生早期，胶原纤维网架结构未破坏前，软骨细胞和软骨中蛋白多糖已有改变。表现在5－10天时，扫描电镜观察，软骨表面“垄沟样”结构可见，垄部低平，沟部变浅，无胶原纤维及软骨细胞裸露，这可能由于蛋白多糖丢失造成的，而软骨的“拱形”结构尚为完整。但从HE和甲苯胺兰染色上已看到单一软骨陷窝内有多个细胞簇聚，细胞排列紊乱，软骨细胞密度有增加和减少的区域，部分软骨细胞及簇聚细胞周围重染，远离软骨细胞的基质中淡染，甚至失染。这说明软骨的拱形结构未破坏前，软骨细胞和基质中蛋白多糖已发生变化。在骨关节病的早期，软骨中蛋白多糖的变化可能是由于：膝关节的不稳定使软骨表面承受的正常的生理压力发生改变，使软骨处于一种较高的外界应力作用下，软骨内胶原纤维变形，缓冲部分压力。胶原纤维网格内蛋白多糖和水在无外力作用时，相对基质而言本身具有0．35mpa的渗透膨胀压［2］，胶原纤维发生弹性变时，软骨内压大于膨胀压，引起液体从组织中外流，这种水分的丢失，使蛋白多糖浓度增加，随即也增加膨胀压，直到膨胀压与外界应力平衡为止。由于较强外力经常作用于软骨表面，需要高浓度的蛋白多糖维持膨胀压与之平衡，高浓度蛋白多糖形成和维持仅仅依靠水分的丢失来完成是不够的，需要增加胶原网格内蛋白多糖的含量，在这种情况下，软骨细胞代谢增强，合成和分泌蛋白多糖的量增加，这种蛋白多糖合成增多反映了软骨细胞为适应外力的代偿作用。软骨细胞合成蛋白多糖的量增加，及软骨细胞反应性增殖，形成细胞簇聚现象，都可能是软骨细胞代偿的表现。骨关节病时，软骨细胞可合成分子结构异常的蛋白多糖，能被Caterson等人制备的抗胚胎期软骨蛋白多糖分子的单克隆抗体3－B－3(－)、7－D－4所识别［1］。当软骨受外力作用变形时，软骨细胞也发生变形，缓冲了部分压力，这个结果在既往实验中已得到证明［3］。当一种大于生理性的外力作用于软骨表面时，胶原网架发生弹性变形，同时软骨细胞弹性变形增大，如果这种外力频繁作用软骨表面，软骨细胞长期处于受压变形状态，将会影响其正常代谢；同时外力增加后，软骨内压力增高，不利于营养物质弥散，可造成软骨细胞营养不良，久之，可导致软骨劳损，软骨细胞就进入失代偿过程。软骨细胞合成蛋白多糖量减少或者出现软骨细胞的变性、坏死，这都可能是软骨细胞失代偿的表现。我们认为在早期骨关节病时，关节软骨内代偿和失代偿的软骨细胞是共存的。5天的实验结果表明，甲苯胺蓝染色显示软骨染色不均一，部分基质染色变浅，甚至失染，这证明了失代偿软骨细胞的存在。而大量形态正常软骨细胞周围染色增强，说明软骨细胞代偿性行为。只是5天时代偿的软骨细胞数量较多，而失代偿的软骨细胞数量较少。10天时基质染色不均一更为明显，偶见软骨细胞簇聚、变性、坏死，个别软骨细胞周围失染，簇聚的软骨细胞及形态正常的软骨细胞周围深染，说明随着骨关节病的发展，软骨损伤逐渐加重，代偿的软骨细胞逐渐减少，失代偿的软骨细胞逐渐增多。15－