軟骨損傷修復(fù)技術(shù)的既往與未來

章亞東

作者單位：100048 北京，解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院骨科

1743 年，Hunter 提出了他的經(jīng)典論斷：“滑膜關(guān)節(jié)的軟骨一旦破壞，就不能再得到修復(fù)”[1]。關(guān)節(jié)軟骨缺乏修復(fù)能力緣于其無血管、淋巴和神經(jīng)分布，傷后沒有炎癥反應(yīng)和再生現(xiàn)象。雖然損傷累及軟骨下骨時也可以產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，并出現(xiàn)部分組織修復(fù)現(xiàn)象。但新生的軟骨組織主要是由 I 型膠原組成的纖維軟骨，缺乏透明軟骨的生物和機械特性，不能正常發(fā)揮關(guān)節(jié)軟骨的作用。

Hunter 的觀點歷經(jīng) 200 余年幾乎沒有任何變化。直到近 30 年，自然科學(xué)多個領(lǐng)域的研究成果提供了用新的組織對軟骨進行修復(fù)的可能。這些領(lǐng)域包括生物力學(xué)、分子生物學(xué)、組織工程學(xué)、基因遺傳學(xué)等。加之醫(yī)學(xué)界對軟骨的病理生理學(xué)知識的了解迅速增加，人們開始認識到軟骨不是一成不變的組織，而是在不斷地重塑和改建之中，從而使學(xué)界意識到現(xiàn)在應(yīng)該可以在軟骨修復(fù)領(lǐng)域做一些工作[2]。甚至可以說 Hunter 的論斷是不完全正確的，特別是在急性軟骨損傷方面，對于關(guān)節(jié)軟骨能否修復(fù)這個困擾關(guān)節(jié)外科數(shù)百年的問題，現(xiàn)在已經(jīng)有了肯定的結(jié)論[2]。

這一結(jié)論的基礎(chǔ)是近年來在關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)領(lǐng)域的一系列研究成果。1993 年，Salter[2]對關(guān)節(jié)持續(xù)被動活動的研究表明，關(guān)節(jié)表面適當?shù)臋C械應(yīng)力，可以促使間充質(zhì)細胞分化為軟骨細胞、并調(diào)節(jié)軟骨細胞的基因表達、促進軟骨生長形成關(guān)節(jié)面。1996 年，Peterson[3]證明了人類軟骨移植的安全、有效和可行性。1997 年，Buckwalter[4]證實人造軟骨基質(zhì)和軟骨生長因子可以促進新生關(guān)節(jié)軟骨的形成。2001 年，Gouze 等[5]將基因療法用于關(guān)節(jié)軟骨疾病的治療，顯示其可以抑制關(guān)節(jié)軟骨退變、刺激關(guān)節(jié)軟骨的合成。還有許多研究報道了包括生長因子、基因轉(zhuǎn)染、軟骨移植、軟骨組織工程在內(nèi)的軟骨修復(fù)技術(shù)取得了令人鼓舞的成果[2]。這些還不太成熟的工作毫無疑問地顯示出關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)研究的希望。

迄今，已經(jīng)應(yīng)用于臨床的關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)方法包括：軟骨清創(chuàng)修整 ( debridement )、軟骨下骨打磨成形( abrasion arthroplasty )、軟骨下骨鉆孔或微骨折 ( subchondral drilling or microfracture )、截骨矯正肢體力線( osteotomy )、骨膜和軟骨膜移植 ( periosteal and perichondrial graft ) 等，這些技術(shù)多數(shù)能促進關(guān)節(jié)表面纖維軟骨的形成。

自體軟骨移植 ( autologous osteochondral grafting ) 是目前關(guān)節(jié)透明軟骨修復(fù)的有效方法之一。研究證實，自體非負重區(qū)骨軟骨向負重區(qū)移植后，其透明軟骨能夠成活，關(guān)節(jié)表面的平整和光滑得到了恢復(fù)，臨床 3～6 年隨訪優(yōu)良率為 91%[6]，但供區(qū)來源有限是其最大的缺點之一。

異體軟骨移植 ( allogenic osteochondral grafting ) 供區(qū)來源大大多于自體軟骨。目前認為其主要適用于關(guān)節(jié)軟骨缺損較大、較深的情況 ( 一般指直徑 ＞ 3 cm、深度 ＞ 1 cm 的關(guān)節(jié)軟骨缺損 )。即對關(guān)節(jié)損傷后大塊的軟骨缺損的治療，推薦應(yīng)用異體骨軟骨移植技術(shù)。其突出特點是不會出現(xiàn)供區(qū)組織的相應(yīng)損傷，修復(fù)中可以得到與缺損完全相適合的大小與形狀[7]。當然，異體骨軟骨移植也存在著供應(yīng)不足、獲取后須在短時間內(nèi)手術(shù)、保存時間較短等缺點[8]。另外，異體骨軟骨供體還可能有潛在的疾病傳播的危險，并有免疫原性等問題[9]。

軟骨組織工程 ( cartilage tissue engineering ) 技術(shù)是采用體外擴增的種子細胞植入有良好生物相容性且能夠在體內(nèi)逐漸降解吸收的各種支架材料中，并加入能夠誘導(dǎo)細胞增殖定向分化的生長因子，使之再生出具有生物功能的軟骨組織，最終將此復(fù)合的軟骨材料植入到損傷部位以達到修復(fù)軟骨缺損的目的。其研究內(nèi)容主要包括種子細胞、支架材料和生長因子三大要素。種子細胞是構(gòu)建組織工程軟骨的基礎(chǔ)，足夠數(shù)量和正常功能的種子細胞對此項技術(shù)非常重要。適合細胞生長增殖的支架材料也是軟骨組織工程必不可少的的關(guān)鍵因素，其作用是作為細胞與組織連接的框架，為軟骨細胞的生長提供了適宜的環(huán)境。此技術(shù)的優(yōu)點非常明顯，種子細胞來源廣泛，對供區(qū)無損害，軟骨組織塊可按受區(qū)需要任意塑形。至今應(yīng)用組織工程技術(shù)已經(jīng)成功地制作出與人體透明軟骨特性極為類似的軟骨組織。并且開始應(yīng)用于臨床，5 年隨訪優(yōu)良率 ＞ 90%[7]。Heymer等[7]應(yīng)用聚乳酸膠原纖維支架復(fù)合人骨髓間充質(zhì)干細胞修復(fù)全層軟骨缺損，修復(fù)術(shù)后 3 周即觀察到膠原纖維層形成，且纖維層的上 1 / 3 可見細胞分布均勻并明顯向軟骨細胞分化，其細胞外基質(zhì)中富含蛋白多糖和 II 型膠原，RT-PCR 分析證實有軟骨形成[10]。還有研究認為關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)可能具有內(nèi)源性干細胞，只要具備適宜軟骨生長的環(huán)境，無須進行種子細胞移植，即可借助內(nèi)源性細胞自身修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨[11]。

理論研究轉(zhuǎn)化到臨床實踐這一過程都會面臨巨大的挑戰(zhàn)。盡管目前在組織工程軟骨方面取得了一定的進展，但是，具有成熟關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)、結(jié)構(gòu)和機械性能的工程化關(guān)節(jié)軟骨至今尚未實現(xiàn)[12]。雖然關(guān)節(jié)軟骨的組織工程技術(shù)比較其它組織工程研究更接近規(guī)模化臨床應(yīng)用[13]，但目前仍有許多難題亟待解決。比如：如何精準調(diào)控軟骨細胞在體外的生長增殖？如何大量快速地培養(yǎng)出軟骨細胞？如何在軟骨細胞傳代培養(yǎng)過程中維持細胞的活力和表型？如何精確模擬天然軟骨的精細微觀結(jié)構(gòu)？如何評價新生軟骨的生物力學(xué)特性是否達到標準？如何真正實現(xiàn)組織工程軟骨與周圍組織的有機整合？如何克服關(guān)節(jié)炎等病理創(chuàng)傷對組織工程軟骨的退行性影響等[14-15]？顯然，這些既是軟骨修復(fù)領(lǐng)域亟待解決的問題，更是今后的研究方向。

科研工作最重要的是協(xié)作與配合。由此關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)技術(shù)研究者需充分發(fā)揮組織工程學(xué)科的優(yōu)勢，在相關(guān)領(lǐng)域臨床醫(yī)生的密切配合下，根據(jù)臨床應(yīng)用的特定需求，整合細胞生物學(xué)、材料學(xué)、新技術(shù)準入法規(guī)制訂部門以及醫(yī)療市場監(jiān)管部門等多學(xué)科、多部門的資源，共同推進組織工程軟骨真正進入常規(guī)化臨床應(yīng)用。

與 Hunter 所在的時代相比，當前已經(jīng)能更好地對軟骨損傷進行診斷和治療。但是，在這個領(lǐng)域中目前仍存在很多困難，還有很長的路要走。隨著關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，特別是組織工程學(xué)技術(shù)的發(fā)展，包括不同種子細胞來源及培養(yǎng)技術(shù)的提高以及各種新型支架材料的研制與開發(fā)等，相信在不久的將來，關(guān)節(jié)軟骨損傷將會得到更有效的治療，關(guān)節(jié)軟骨損傷的臨床治療效果將越來越好。