關節(jié)灌注液對關節(jié)軟骨的影響

沈鵬　李小溪　皇甫小橋　趙金忠

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關節(jié)灌注液對關節(jié)軟骨的影響

沈鵬李小溪皇甫小橋趙金忠

關節(jié)鏡手術時需常規(guī)使用關節(jié)灌注液充盈擴張關節(jié)腔，此時正常關節(jié)滑液被灌注液替代，因此關節(jié)灌注液需具有無抗原性、無毒性、無溶血性、透明等特性，且應符合生理要求，以盡可能減少對全身及關節(jié)內結構如關節(jié)軟骨、滑膜等造成不良影響。目前常用的關節(jié)灌注液均對關節(jié)軟骨有不同程度的影響，包括造成軟骨基質蛋白聚糖流失、抑制軟骨細胞蛋白聚糖合成、引起軟骨結構軟化和抗負荷性能下降及損傷軟骨細胞等。該文就關節(jié)灌注液對關節(jié)軟骨的影響作一綜述。

關節(jié)鏡；灌注液；關節(jié)軟骨

關節(jié)軟骨再生修復能力差[1-2]，其損傷時關節(jié)鏡手術主要目的之一是恢復關節(jié)穩(wěn)定性，盡可能保留并修復關節(jié)軟骨結構和功能，避免軟骨過早磨損，從而延緩遠期骨關節(jié)炎發(fā)生[3]。生理狀態(tài)下關節(jié)軟骨被關節(jié)滑液包圍，無血管直接供給營養(yǎng), 因此軟骨營養(yǎng)的主要來源是關節(jié)滑液[4-5]。而關節(jié)鏡手術中需使用關節(jié)灌注液適當充盈擴張關節(jié)腔、冷卻和潤滑動力器械及沖洗清理關節(jié)內組織碎屑[6]，這導致正?；罕还嘧⒁禾娲?，關節(jié)腔內環(huán)境改變，軟骨失去正常營養(yǎng)供應。理想的關節(jié)灌注液應具有無抗原性、無毒性、無溶血性、透明等特征，且需符合生理要求，對全身及關節(jié)內結構如關節(jié)軟骨、滑膜等無不良影響[7]。然而，目前對于理想的關節(jié)灌注液尚無統一觀點，臨床常用的灌注液對關節(jié)軟骨均有不同程度的影響。

1　關節(jié)灌注液種類

目前常用的關節(jié)灌注液分為離子型和非離子型兩類，其中離子型灌注液生理鹽水(含氯化鈉9.0 g/L，pH值約為5.7，等滲)是國內最常用的關節(jié)灌注液。但研究[8-14]認為，生理鹽水作為灌注液生理性較差。此外，常見離子型灌注液還有林格氏液(pH值為6.1，等滲，溶質成分為氯化鈉8.6 g/L、氯化鉀0.3 g/L、氯化鈣0.33 g/L)和乳酸林格氏液(pH值為6.5，等滲，溶質成分為氯化鈉6.0 g/L、氯化鉀 0.4 g/L、氯化鈣0.27 g/L、乳酸鈉3.22 g/L)。離子型灌注液具有制備簡便、費用較低的優(yōu)點。而非離子型灌注液在國外較常使用，常見的有去離子水、有機溶液(1.5%甘氨酸、5%甘露醇、5%山梨醇、5%甘油、5%果糖、6%右旋糖苷)等。

2　關節(jié)灌注液對關節(jié)軟骨的影響

2.1軟骨基質蛋白聚糖流失

Johnson等[14]在兔膝關節(jié)內分別持續(xù)灌注生理鹽水1、3、7、14 d，并在灌注后即刻及6個月時對關節(jié)軟骨進行組織學和組化檢測以觀測其受生理鹽水灌注的影響，結果發(fā)現灌注后3 d關節(jié)軟骨基質染色開始變淺，灌注后7、14 d軟骨基質褪色更為顯著，但灌注后6個月軟骨基質染色恢復正常；因此認為生理鹽水對軟骨基質蛋白聚糖成分有析出作用，但這種影響可能具有可逆性。Gradinger等[10]利用牛軟骨切片及大鼠完整股骨頭關節(jié)軟骨進行不同時長(15、30、60、120、180、240 min)的體外灌注實驗并觀測灌注液對蛋白聚糖的析出效應及觀察軟骨電鏡圖像，發(fā)現灌注后1 h離子型灌注液(生理鹽水和林格氏液)從軟骨基質中析出的蛋白聚糖顯著多于非離子型灌注液(蒸餾水、20%山梨醇、2%甘露醇、5%甘露醇、10%甘露醇等)；這一過程可能與溶液中氯離子濃度有關，0.1%氯化鈉析出蛋白聚糖極少，僅在氯化鈉濃度為0.9%時蛋白聚糖才有明顯流失，因此可以推測達到一定濃度的氯離子才能將帶負電荷的蛋白聚糖從膠原纖維網中置換出來；觀察電鏡圖像發(fā)現，離子型灌注液可使軟骨表面粗糙不平整，這種結構改變可能與軟骨基質蛋白聚糖流失而導致膠原原纖維網架剝蝕有關。由此可見，非離子型灌注液對軟骨基質中蛋白聚糖的析出作用較離子型灌注液小，由于基質成分如蛋白聚糖、Ⅱ型膠原是構成軟骨結構的物質基礎，因此使用對軟骨基質蛋白聚糖析出作用小的灌注液有助于保護關節(jié)軟骨。

2.2抑制軟骨細胞蛋白聚糖合成

Arciero等[15]通過兔膝關節(jié)體內實驗分別觀測生理鹽水、乳酸林格氏液及無菌水灌注后關節(jié)軟骨對同位素試劑35SO4的吸收率來了解這3種灌注液對關節(jié)軟骨蛋白聚糖合成的影響，發(fā)現三者之間并無差異。雖然生理鹽水長期以來一直作為關節(jié)鏡的液體介質，但它的安全性很早便受到質疑。Reagan等[13]通過體外實驗測定不同灌注液下牛軟骨對35SO4的吸收率，發(fā)現生理鹽水可抑制軟骨細胞蛋白聚糖合成，而乳酸林格氏液對軟骨細胞蛋白聚糖合成的抑制作用顯著小于生理鹽水、磷酸鹽緩沖液，并推薦乳酸林格氏液作為關節(jié)灌注液。而Bulstra等[11]通過體外實驗測定不同灌注液下大鼠完整髕骨對35SO4的吸收率，發(fā)現林格氏液及5%葡萄糖林格氏液對軟骨細胞蛋白聚糖合成的抑制作用顯著小于生理鹽水和乳酸林格氏液。Gulihar等[8]通過體外實驗測定并比較林格氏液、生理鹽水、1.5%甘氨酸及5%甘露醇對人體軟骨細胞蛋白聚糖合成的影響，發(fā)現灌注1 h后林格氏液對軟骨細胞蛋白聚糖合成的抑制作用最小。以上研究表明，林格氏液對軟骨細胞蛋白聚糖合成的抑制作用小于生理鹽水及非離子型灌注液。

2.3軟骨結構軟化和抗負荷性能下降

關節(jié)灌注液尤其是離子型灌注液對關節(jié)軟骨基質中的蛋白聚糖具有顯著的析出作用，導致軟骨基質生化成分改變，從而引起軟骨結構損傷如軟化、纖維化，最終削弱其抗負荷等生物力學特性[16-17]。

Yang等[18]進行小鼠體內實驗，觀察經生理鹽水、乳酸林格氏液、3%山梨醇及蒸餾水灌注1、2 h后完整髕骨關節(jié)軟骨掃描電鏡圖像，未發(fā)現有顯著性差異。但Bert等[12,19]觀察1.5%甘氨酸、Synovisol液(3.35 mmol/L甘油)、生理鹽水、乳酸林格氏液和蒸餾水灌注后30～45 min人體關節(jié)軟骨超微結構變化，發(fā)現經1.5%甘氨酸浸泡的軟骨表面最為光滑，經Synovisol液浸泡的軟骨有輕微損傷，經生理鹽水和乳酸林格氏液浸泡的軟骨變化較為顯著，而經蒸餾水浸泡的軟骨超微結構破壞最嚴重，認為1.5%甘氨酸對滑膜和關節(jié)軟骨組織學損壞最小。Jurvelin等[20]在體外條件下將牛膝關節(jié)軟骨分別浸泡于6%右旋糖苷聯合5%山梨醇、5%果糖、5%甘露醇、林格氏液2、4、20 h，隨后采用壓痕蠕變試驗檢測軟骨生物力學性能，發(fā)現林格氏液造成軟骨結構軟化及抗負荷性能下降最早出現(2 h)且最為顯著。這些研究提示，非離子型灌注液對軟骨基質蛋白聚糖成分的析出作用及軟骨結構損傷均較小，對維持軟骨抗負荷性能更具優(yōu)勢，也間接證明關節(jié)軟骨力學性能基于其結構基礎，而基質成分含量變化將影響軟骨結構及力學性能。

2.4損傷軟骨細胞

Shinjo等[9]采用人體半月板原代培養(yǎng)軟骨細胞進行體外實驗，發(fā)現乳酸林格氏液較生理鹽水能更好地保持軟骨細胞完整性。軟骨細胞對維持軟骨基質含量穩(wěn)定，從而保持軟骨正常結構和力學性能具有重要作用，因此軟骨細胞活性下降可能對軟骨基質蛋白聚糖含量及軟骨結構造成長期不良影響[21]。

3　影響因素

3.1化學成分

不同灌注液由不同化學成分組成，從而具有獨特的pH值、滲透壓、離子成分及電荷等理化特性。不同離子成分可對關節(jié)軟骨細胞離子平衡及關節(jié)軟骨基質分子電荷平衡等產生不同程度的影響。Gradinger 等[10]研究發(fā)現，以0.9%氯化鈉為關節(jié)灌注液進行灌注時軟骨基質蛋白聚糖含量顯著下降，而以0.1%氯化鈉為關節(jié)灌注液進行灌注時軟骨基質蛋白聚糖則析出很少，且離子型灌注液普遍對軟骨基質蛋白聚糖的析出作用較非離子型灌注液強。這些研究提示，關節(jié)灌注液對軟骨基質蛋白聚糖的析出作用與其離子濃度有關，由于蛋白聚糖為帶負電荷的分子基團，離子型灌注液中的陰離子可影響蛋白聚糖與膠原原纖維之間的連接，使得蛋白聚糖從其結合位點處釋放[10,20]。而關節(jié)灌注液含有高濃度氯離子時硫酸軟骨素或透明質酸大分子擴散系數接近于一些低分子電解質，因此一旦蛋白聚糖被溶液中的離子從結合位點釋放便會迅速擴散至灌注液中，從而導致軟骨基質蛋白聚糖流失[22]。

3.2pH值

雖然無菌水的pH值與正?；鹤顬榻咏嵝缘牧指袷弦?、乳酸林格氏液等對軟骨基質蛋白聚糖的析出作用更小[8,11,13]。而Karpie等[23]研究表明，pH值分別為 5.0、7.0或 7.4 的磷酸鹽緩沖液對軟骨細胞活力的影響并無顯著性差異。除去離子水外，目前常用的關節(jié)灌注液pH值均較正?；浩嵝裕虼丝梢哉J為在一定范圍內的pH值波動對關節(jié)軟骨的影響十分有限。

3.3滲透壓

關節(jié)灌注液滲透壓對關節(jié)軟骨有直接影響，滲透壓過低的灌注液如去離子水會導致關節(jié)軟骨水腫，稀釋關節(jié)軟骨內蛋白聚糖成分，進而引起關節(jié)軟骨腫脹及結構軟化[10]，嚴重時還可通過滑膜進入周圍組織引起周圍組織水腫，進入體循環(huán)引起低滲性水中毒等水電解質平衡紊亂，從而造成全身損害[24]。因此，采用等滲甚至高滲灌注液進行術中灌注可能有助于保護關節(jié)軟骨及減少全身并發(fā)癥[22,25]。

4　 結語

研究[8,11,13]表明，林格氏液抑制軟骨細胞蛋白聚糖合成作用小于5%葡萄糖林格氏液、乳酸林格氏液、生理鹽水、1.5%甘氨酸及5%甘露醇等。而非離子型灌注液如甘氨酸、山梨醇、甘露醇、甘油等對軟骨基質蛋白聚糖析出、軟骨結構軟化及軟骨細胞損傷等作用小于離子型灌注液如生理鹽水、林格氏液等。無論是關節(jié)軟骨細胞蛋白聚糖合成受抑制，還是軟骨基質蛋白聚糖析出，均可導致軟骨基質中蛋白聚糖含量下降，引起軟骨表面膠原原纖維網架結構損傷，從而導致軟骨抗負荷性能下降，具體表現為電鏡圖像中超微結構不平整、溝壑加深，壓痕蠕變試驗顯示軟骨抗壓性能損害發(fā)生較早且較為嚴重。研究[12,19-20]表明，非離子型灌注液對軟骨結構和生物力學性能的影響較離子型灌注液小。因此，軟骨基質蛋白聚糖析出對軟骨結構及力學性能影響較大，而軟骨細胞蛋白聚糖合成受抑制的短期效應似乎并不明顯。從對關節(jié)軟骨保護的角度，臨床上應選擇對軟骨基質成分、軟骨結構及力學性能影響最小的非離子型灌注液如1.5%甘氨酸、5%甘露醇等，而目前國內使用最為普遍的生理鹽水對關節(jié)軟骨的影響較非離子型灌注液大，并非最佳選擇。

然而，以往的研究仍存在許多局限性。首先，研究模型多為動物關節(jié)軟骨，少數研究使用人類關節(jié)軟骨，而動物模型難以代表真實人體；其次，使用人類關節(jié)軟骨的體內實驗研究極少，而人類關節(jié)軟骨的體外實驗難以模擬體內軟骨的真實環(huán)境及狀況，因為在真實體內條件下，關節(jié)鏡手術及灌注液灌注可引起滑膜炎癥反應，軟骨受到的影響較體外條件下可能更大[26]；最后，研究所使用的檢測方法較為單一，說服力不夠強，缺少探索關節(jié)灌注液對軟骨影響深層次機制的基礎研究，且既往研究大多報道的是關節(jié)灌注液短期效應，而關節(jié)灌注液對關節(jié)軟骨的長期效應仍不甚明確。

目前尚未找到對關節(jié)軟骨正常生理功能和組織結構完全無損害的關節(jié)灌注液。雖然有研究表明，碳水化合物類非離子型灌注液雖然對軟骨基質蛋白聚糖析出效應及軟骨結構損傷作用較輕微，但對軟骨細胞蛋白聚糖合成抑制作用卻強于林格氏液，且存在費用較高等缺點。考慮以往研究的局限性及臨床上保護關節(jié)軟骨、提高手術療效的需要，未來需進行更具說服力的人體體內研究，從多角度探索以明確關節(jié)灌注液對人類關節(jié)軟骨短期和長期影響及其相關機制，從而找到最為符合生理的關節(jié)灌注液。

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(收稿：2015-12-18; 修回：2016-03-10)

(本文編輯：盧千語)

200233，上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院運動醫(yī)學科

趙金忠E-mail: zhaojinzhongdoctor@163.com

10.3969/j.issn.1673-7083.2016.03.011