膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎生物力學(xué)的研究進(jìn)展

張啟棟，郭萬(wàn)首★

（1.北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 研究生院，北京 100730；2.中日友好醫(yī)院 骨關(guān)節(jié)外科，北京 100029）

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種以軟骨磨損為特點(diǎn)的退行性關(guān)節(jié)病，主要發(fā)生在中老年人，嚴(yán)重困擾人民健康，使至少10%的人喪失勞動(dòng)能力。流行病學(xué)的研究估計(jì)，僅在美國(guó)大約有4300萬(wàn)人受影響，全世界大約有15%人口受到困擾。它不僅給社會(huì)，也給患者帶來(lái)巨大的心理和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。OA通常被認(rèn)為是一個(gè)多因素導(dǎo)致的關(guān)節(jié)病，包括機(jī)械應(yīng)力增加、力線異常、軟骨退化、軟骨下骨改變和肌肉軟組織損傷。繼發(fā)滑膜炎也在OA發(fā)生發(fā)展中扮演了重要的角色，尤其在早期階段。生物力學(xué)在OA發(fā)生發(fā)展中的作用更是越來(lái)越受到人們重視。目前有研究指出，生物力學(xué)因素在OA發(fā)病中起到了瀑布效應(yīng)[2]。本文將主要對(duì)OA發(fā)生發(fā)展的不同生物力學(xué)因素進(jìn)行討論，現(xiàn)綜述如下。

1 生物力學(xué)

OA多發(fā)生于負(fù)重大的關(guān)節(jié)，尤其多見(jiàn)于膝關(guān)節(jié)。但有趣的是，膝關(guān)節(jié)解剖學(xué)關(guān)節(jié)面比踝關(guān)節(jié)要大，單位面積承擔(dān)的負(fù)荷要小 （500N負(fù)荷：踝關(guān)節(jié)350mm2，膝關(guān)節(jié)11120mm2），但其原發(fā)性O(shè)A比踝關(guān)節(jié)多發(fā)，而踝關(guān)節(jié)多為繼發(fā)性O(shè)A。出現(xiàn)這一現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)可能是其主要原因。膝關(guān)節(jié)通常被認(rèn)為是鉸鏈關(guān)節(jié)。股骨內(nèi)外側(cè)髁大小不等，類似凸輪結(jié)構(gòu)，因此膝關(guān)節(jié)在屈伸活動(dòng)中，不僅包含屈伸活動(dòng)，還包括旋轉(zhuǎn)、前后滾動(dòng)等運(yùn)動(dòng)。更重要的是，膝關(guān)節(jié)各區(qū)域表面軟骨厚度不一，脛骨外側(cè)平臺(tái)厚，內(nèi)側(cè)薄。適當(dāng)?shù)臋C(jī)械負(fù)荷對(duì)維持生理關(guān)節(jié)的平衡提供必要刺激，而過(guò)度的機(jī)械負(fù)荷卻導(dǎo)致OA發(fā)生。在前十字韌帶損傷的患者，其膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)變化更為明顯，其前后穩(wěn)定性、旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性破壞，局部軟骨承受的剪力和應(yīng)力增大，因此前十字韌帶損傷的患者15年內(nèi)60%～90%會(huì)繼發(fā)OA。OA患者，股骨在脛骨上的滾動(dòng)幅度降低，伸膝時(shí)的鎖扣機(jī)制功能障礙，進(jìn)一步會(huì)加重OA。

2 機(jī)械軸

下肢的機(jī)械軸或下肢力線被定義為從股骨頭中心向距骨中心劃線，此線通過(guò)脛骨平臺(tái)中央，大約1°內(nèi)翻（中立力線0～2°）。膝關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)間室承載60%～70%的負(fù)荷。這種生理上的應(yīng)力分配不平衡可能是導(dǎo)致內(nèi)側(cè)間室軟骨退變的誘發(fā)因素。Sharma研究表明，內(nèi)翻畸形導(dǎo)致內(nèi)側(cè)膝關(guān)節(jié)OA進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)3.59倍，而降低外側(cè)間室OA發(fā)生可能；外翻畸形增加外側(cè)間室OA風(fēng)險(xiǎn)4.85倍，而降低內(nèi)側(cè)間室OA炎發(fā)生[3]。Felson等人對(duì)多中心骨關(guān)節(jié)炎研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于沒(méi)有影像學(xué)OA的患者，外翻＞3°增加OA發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)2.5倍，若通過(guò)MRI檢查，則增加風(fēng)險(xiǎn)5.9倍，外翻畸形是增加外側(cè)間室OA發(fā)生發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)因素[4]。Moyer等人應(yīng)用步態(tài)三維分析和站立全長(zhǎng)X線進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)力線不正不僅對(duì)膝關(guān)節(jié)靜態(tài)負(fù)荷有影響，對(duì)膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)載荷也是有明顯影響，每增加1°內(nèi)翻，膝關(guān)節(jié)負(fù)荷增加3.2Nm[5]。

3 機(jī)械應(yīng)力

膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中反復(fù)、過(guò)度、重復(fù)的應(yīng)力作用下，更容易出現(xiàn)軟骨破壞。Dabiri等研究發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)應(yīng)力增加，退變關(guān)節(jié)軟骨的流體壓力降低，而剪切力增加，關(guān)節(jié)軟骨退變加劇[6]。Gardner等人應(yīng)用大鼠進(jìn)行動(dòng)物模型研究，每增加10%體重內(nèi)翻應(yīng)力，脛股關(guān)節(jié)壓力峰值增加0.042MKp，內(nèi)側(cè)間室軟骨退變加速[7]。Jones對(duì)美國(guó)馬薩諸塞州東部城鎮(zhèn)弗雷明漢的一個(gè)病例系列進(jìn)行研究，152例影像學(xué)膝內(nèi)翻者，90%于10年內(nèi)進(jìn)展為內(nèi)側(cè)間室骨關(guān)節(jié)炎，而使用足墊減少內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力，OA發(fā)生率降低4.84%[8]。

肥胖導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)單位面積負(fù)荷增大，是目前公認(rèn)的OA發(fā)病危險(xiǎn)因素之一。Martin等人對(duì)1946年出生的人群為基礎(chǔ)的前瞻性隊(duì)列研究，分析2597膝，體重指數(shù)是OA最重要的危險(xiǎn)因素[9]。Ackerman對(duì)5000例澳大利亞人的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，肥胖明顯增加關(guān)節(jié)負(fù)荷，體重指數(shù)（BMI）為25～29.9kg/m2的超重者和BMI≥30kg/m2的肥胖者膝OA發(fā)病率較BMI＜25kg/m2的體重正常者明顯升高（OR 2.11，95%CI 1.07～4.15；OR 7.35，95%CI 3.85～14.02）[10]。

4 動(dòng)態(tài)負(fù)荷影響

靜態(tài)負(fù)荷對(duì)OA病理生理學(xué)有著顯著的影響，但它們不能完全反映人們運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)荷。膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)、正常行走時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)荷是站立時(shí)3～5倍，特別是在步行中和站起時(shí)，膝關(guān)節(jié)所受剪切力達(dá)最大[11]。Hall等人研究發(fā)現(xiàn)，爬樓梯明顯增加了膝關(guān)節(jié)內(nèi)壓力峰值，從而導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)OA[12]。Martin等人對(duì)2597膝的研究發(fā)現(xiàn)，男性長(zhǎng)期從事高負(fù)荷、過(guò)度屈伸等工作，后期易發(fā)生OA[9]。動(dòng)態(tài)負(fù)荷的研究需要通過(guò)使用關(guān)節(jié)內(nèi)壓力測(cè)量設(shè)備測(cè)量，但在人體難以直接操作。然而，在動(dòng)物模型中觀察到，過(guò)度的動(dòng)態(tài)負(fù)荷可以導(dǎo)致軟骨破壞和OA進(jìn)展[2]。

步態(tài)分析可以對(duì)膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行間接分析研究，其無(wú)創(chuàng)且可以較容易的重復(fù)，因此在人體研究中被廣泛采用。在步態(tài)分析中，視頻攝像頭和地面反作用力感受板記錄數(shù)據(jù)，將這些關(guān)節(jié)外“運(yùn)動(dòng)瞬間”負(fù)荷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)內(nèi)部對(duì)應(yīng)“運(yùn)動(dòng)瞬間”的數(shù)據(jù)，如扭轉(zhuǎn)力或旋轉(zhuǎn)力。它可以定量計(jì)算瞬間力和力臂對(duì)應(yīng)的數(shù)值。內(nèi)翻膝“內(nèi)收時(shí)刻”（adduction moment，ADM）代表在膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻扭矩，由地面反作用力（ground reaction force，GRF）和由膝關(guān)節(jié)中心向地面的GRF向量距離決定。這些參數(shù)的任何改變，ADM都會(huì)受到影響。Yang等人在最近的一項(xiàng)研究表明，步態(tài)中站立相，膝關(guān)節(jié)軟骨的最大值應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)力與ADM峰值相關(guān)。在站立相早期和晚期，膝關(guān)節(jié)有一外翻瞬間，膝外側(cè)室受到一個(gè)最大壓應(yīng)力。在步態(tài)中大部分時(shí)相（約25%～75%步態(tài)周期），膝處于內(nèi)翻狀態(tài)，膝內(nèi)側(cè)室受壓應(yīng)力最大。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，膝內(nèi)翻患者與正?；蛳ネ夥幕颊呦啾龋リP(guān)節(jié)壓應(yīng)力增加明顯[13]。Miyazaki等研究74例OA患者，發(fā)現(xiàn)每增加一個(gè)單位的ADM峰值，X線上內(nèi)側(cè)間室OA進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)增加6.5倍[14]。此外，Bennell等研究發(fā)現(xiàn)，ADM直接與影像學(xué)表現(xiàn)、軟骨損傷和疼痛相關(guān)[15]。ADM也存在一定的局限性，它只反映步態(tài)周期中具體時(shí)間的負(fù)荷情況，不能完全反映不同步態(tài)時(shí)期、不同行走速度和站立時(shí)相的全部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。有研究表明，降低ADM并不能降低內(nèi)側(cè)間室應(yīng)力[16]。

5 韌帶不穩(wěn)定和肌肉無(wú)力

除了軟骨損傷，韌帶、肌肉和神經(jīng)機(jī)械力學(xué)環(huán)境改變也是OA發(fā)生發(fā)展的重要因素。在膝關(guān)節(jié)OA中，經(jīng)常可觀察到慢性韌帶松弛。韌帶的不穩(wěn)定導(dǎo)致關(guān)節(jié)活動(dòng)和旋轉(zhuǎn)處于病理狀態(tài)，從而增加對(duì)軟骨面剪切力。此外，膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)或外側(cè)韌帶慢性不穩(wěn)定，將導(dǎo)致后足內(nèi)翻或外翻畸形進(jìn)展，進(jìn)而導(dǎo)致壓力分布異常和OA的進(jìn)展加速。肌肉無(wú)力和感覺(jué)缺失也可以導(dǎo)致OA，且肌肉無(wú)力是導(dǎo)致OA出現(xiàn)癥狀的最主要也是最常見(jiàn)的原因[17]。OA也可以導(dǎo)致肌肉萎縮，本體感覺(jué)改變，步態(tài)異常。Stensrud報(bào)道，膝關(guān)節(jié)退行性半月板撕裂的中年患者大約50%存在股四頭肌肌力下降、下肢功能障礙，與未受傷的膝關(guān)節(jié)相比，二者差異在10%以上[18]。然而，是OA導(dǎo)致肌肉無(wú)力和萎縮，還是其導(dǎo)致OA，目前尚不明確。Peat等人觀察發(fā)現(xiàn)肌肉無(wú)力與髕股關(guān)節(jié)OA密切相關(guān)，其增加膝關(guān)節(jié)疼痛[19]。Slemenda等人觀察發(fā)現(xiàn)肌肉無(wú)力與關(guān)節(jié)間隙變窄相關(guān)，在老年婦女，其增加膝關(guān)節(jié)疼痛幾率和促進(jìn)OA發(fā)展[20]。Jens研究表明，膝關(guān)節(jié)OA與膝腘繩肌肌力顯著相關(guān)。然而，疾病的嚴(yán)重程度沒(méi)有影響肌肉的強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)膝內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)負(fù)荷的關(guān)系[21]。

6 生物力學(xué)和軟骨下骨

軟骨下骨可為關(guān)節(jié)軟骨緩沖部分膝關(guān)節(jié)沖擊載荷，因此軟骨下骨病變?cè)谙A發(fā)病生物力學(xué)過(guò)程中起著重要作用。Bellido等用動(dòng)物模型對(duì)軟骨下骨進(jìn)行研究，認(rèn)為軟骨下骨的微結(jié)構(gòu)改變與活躍的骨重建相關(guān)，促進(jìn)了軟骨的退變。OA發(fā)生之初，軟骨下骨骨吸收活躍，發(fā)生骨質(zhì)疏松，骨密度下降。由于關(guān)節(jié)負(fù)荷沒(méi)有減輕，為了維持力學(xué)性能，代償性地引起骨形成活躍。然而軟骨下骨異常的高轉(zhuǎn)換引起的新生骨組織礦化不全，故表現(xiàn)為骨量增加而單位體積骨密度下降。因此，OA軟骨下骨改變是以高轉(zhuǎn)換為背景的骨重建（骨吸收／骨形成）。應(yīng)用甲狀旁腺激素，提高軟骨下骨微結(jié)構(gòu)和重塑，對(duì)于防止兔早期軟骨損傷的進(jìn)展有作用[22]。早期OA，軟骨下骨出現(xiàn)骨密度降低，然而在后期，放射學(xué)卻表現(xiàn)為軟骨下骨硬化和骨密度增高。通過(guò)評(píng)估軟骨下骨硬化骨密度表明，軟骨下骨密度可以預(yù)測(cè)軟骨缺損的發(fā)展等[22，23]。功能CT像研究，軟骨下骨在進(jìn)展期OA呈現(xiàn)出負(fù)荷依賴性反應(yīng)。軟骨下骨出現(xiàn)新的血管和神經(jīng)纖維，也可能參與OA的發(fā)病機(jī)制和引起疼痛。軟骨下骨和軟骨之間的相互作用對(duì)OA發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要，但目前還不清楚軟骨下骨損傷是導(dǎo)致軟骨損傷的原因還是后果。

7 生物力學(xué)和炎癥

關(guān)節(jié)炎癥是OA早期階段重要特征，大約50%的OA病例存在滑膜炎。從病理生理上講，滑膜炎導(dǎo)致致炎細(xì)胞因子分泌，如腫瘤壞死因子α、白細(xì)胞介素1（IL-1）、或白細(xì)胞介素（IL-6）。關(guān)節(jié)液中炎癥細(xì)胞因子平衡受損，誘導(dǎo)蛋白酶如金屬蛋白酶或聚糖酶分泌，導(dǎo)致軟骨退變和炎癥反應(yīng)，一旦液體進(jìn)入軟骨下骨，可導(dǎo)致軟骨下囊腫形成?；隗w外機(jī)械負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，目前認(rèn)為，壓力負(fù)荷損害導(dǎo)致蛋白多糖和膠原蛋白網(wǎng)損壞，從而軟骨損傷。炎癥細(xì)胞起反應(yīng)，分泌炎癥介質(zhì)，導(dǎo)致和引起滑膜炎[24]。除了滑膜，關(guān)節(jié)內(nèi)脂肪體也可分泌促纖維化細(xì)胞因子如IL-6[25]。有趣的是，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的IL-10的表達(dá)是一個(gè)強(qiáng)有力的抗炎因子[26]?？赡芸寡滓蜃覫L-10的表達(dá)缺乏，導(dǎo)致生物學(xué)反應(yīng)不足，從而引起OA。因此，在OA發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，不僅在產(chǎn)生炎癥，而且抗炎因子的缺乏也可能是其發(fā)生發(fā)展的重要原因。Messier等人報(bào)道，通過(guò)飲食及運(yùn)動(dòng)控制體重18個(gè)月后，可以降低膝關(guān)節(jié)OA患者IL-6水平[27]。

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