人工全髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)患者血清金屬離子濃度與假體周圍組織病理學(xué)改變的相關(guān)性分析

宮麗華 陳曦 顧建明 邵宏翊 周一新 丁宜

人工關(guān)節(jié)置換術(shù)已經(jīng)成為挽救關(guān)節(jié)功能的最終有效方法。然而，隨著手術(shù)量的增加，術(shù)后并發(fā)癥引起的關(guān)注也與日俱增。其中主要的并發(fā)癥為假體松動，假體與骨之間會形成厚薄不一、寬度不等的結(jié)締組織包裹物即假體周圍膜形成[1-2]。即使植入物固定良好，其周圍也可形成膜。股骨柄周圍可以形成非常薄(0.1～0.3 mm)的膜；隨著假體存活率的增加，髖臼假體周圍的膜可逐漸增厚至1.0 cm[3]。假體松動可由假體周圍感染所致，形成感染性松動，也可以是無菌性松動。無菌性松動通常由聚乙烯顆粒、骨水泥、陶瓷和金屬顆粒等導(dǎo)致的假體周圍骨溶解所致。輕到中度假體周圍骨溶解源于假體周圍膜的細(xì)胞及酶的活性升高或骨與假體交界處微環(huán)境中各類細(xì)胞因子的相互作用[4-5]。顆粒引起的松動源于人工關(guān)節(jié)植入人體后引發(fā)一些物理、化學(xué)及生物學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的離子釋放效應(yīng)。金屬人工關(guān)節(jié)釋放的金屬離子主要來源于關(guān)節(jié)界面機(jī)械磨擦產(chǎn)生的細(xì)小金屬微粒，離子入血造成血金屬離子濃度升高。同時，關(guān)節(jié)液也會出現(xiàn)金屬離子濃度升高，引起植入物周圍金屬離子增加，加劇假體周圍組織內(nèi)金屬顆粒的沉積[6]。目前，金屬顆粒及金屬離子在假體周圍組織中的作用并不明確。本研究探討人工全髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)患者血清金屬離子濃度與假體周圍組織中金屬顆粒數(shù)量、壞死程度、組織細(xì)胞增生及血管周淋巴細(xì)胞聚集的相關(guān)性，以期為臨床抗細(xì)胞毒及超敏反應(yīng)研究奠定基礎(chǔ)。

資料與方法

一、資料

納入北京積水潭醫(yī)院矯形骨科2015年1月至2018年9月接受人工髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)患者18例。其中男、女各9例，左髖8例，右髖10例，平均年齡59(43～73)歲。其中6例假體界面為金屬對金屬(metal-on-metal，MOM)，金屬成分均為鈷鉻鉬合金；其余12例假體界面為鈷鉻鉬合金對聚乙烯(metal-on-polyethylene，MOP)。MOP組包括骨水泥臼杯2例、鈦合金臼杯10例，鈷鉻鉬合金柄4例、鈦合金柄8例。排除骨腫瘤切除后人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者。所有患者體內(nèi)無其他含鉻、鈷、鈦內(nèi)植物。

二、方法

1.術(shù)前血清金屬離子濃度檢測：患者術(shù)前空腹?fàn)顟B(tài)下采靜脈血，分離血清后入冰箱冷凍保存。送檢至北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部毒理學(xué)系，測定血清鉻、鈷、鈦離子濃度。應(yīng)用動態(tài)反應(yīng)池(dynamic reaction cell，DRC)電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)技術(shù)檢測[7]。使用儀器為Elan DRC Ⅱ ICP-MS儀器(珀金埃爾默儀器有限公司，美國)。

2.假體周圍組織標(biāo)本取材：標(biāo)本以4%中性甲醛固定，部分質(zhì)硬標(biāo)本以98%甲酸和4%中性甲醛(1∶1)脫鈣液進(jìn)行脫鈣處理，石蠟包埋，3 μm切片，HE染色。對于假體周圍組織的取材數(shù)量未見相關(guān)規(guī)定。本研究按照軟組織取材規(guī)范每間隔1 cm取材1塊，厚度2～3 mm。針對不同體積組織分別取材2～5塊。取材時盡可能顧及標(biāo)本的不同部位。

3．假體周圍壞死的組織學(xué)評判：Davies等對表面組織壞死分型如下：1型為表面滑膜上皮完整；2型為表面滑膜上皮局部缺失，未見纖維素沉積；3型為表面被覆上皮缺失伴纖維素性沉積；4型為滑膜結(jié)構(gòu)廣泛破壞伴壞死，未見正常結(jié)構(gòu)存留[8]。本研究依據(jù)這一分型方法將假體周圍組織壞死分為4級。4級：4型壞死>75%；3級：25%≤4型壞死≤75%；2級：4型壞死<25%或3型壞死；1級：2型壞死。

4.假體周圍組織細(xì)胞增生的半定量評判：將假體周圍組織內(nèi)組織細(xì)胞增生分為4級。0級：缺失；1級：偶見；2級：簇狀；3級：彌漫成片[9]。

5.假體周圍組織中金屬顆粒數(shù)量的評判：采用肝細(xì)胞內(nèi)鐵離子評估方法，將顆粒數(shù)量分為5級。0級：400倍鏡下顆粒缺失或幾乎缺失；1級：250倍鏡下顆粒幾乎缺失,400倍鏡下容易見到顆粒；2級：100倍鏡下散在分解顆粒；3級：25倍鏡下散在分解顆粒；4級：10倍鏡下大量顆?；蚵阊劭梢婎w粒[10]。

6．假體周圍組織中血管周淋巴細(xì)胞聚集的評判：無菌性淋巴細(xì)胞為主型血管炎相關(guān)病變(aseptic lymphocytic vasculitis associated lesion，ALVAL)提示金屬致敏性淋巴細(xì)胞主導(dǎo)的Ⅳ型超敏反應(yīng)。采用Grammatopoulos等[11]建立的Oxford-ALVAL評分系統(tǒng)對血管周淋巴細(xì)胞聚集進(jìn)行半定量計數(shù)分級。0級：無血管周淋巴細(xì)胞浸潤；1級：極少量血管周淋巴細(xì)胞浸潤，血管周淋巴細(xì)胞套厚度<5個細(xì)胞；2級：少量血管周淋巴細(xì)胞聚集，血管周淋巴細(xì)胞套厚度為5～10個細(xì)胞；3級：大量血管周淋巴細(xì)胞聚集，血管周淋巴細(xì)胞套厚度>10個細(xì)胞。

7.統(tǒng)計學(xué)處理：Spearman相關(guān)分析適用于等級變量和有序變量之間，數(shù)據(jù)<30對，總體樣本是否呈正態(tài)分布均可，應(yīng)用范圍較廣泛。既往研究結(jié)果表明，相較于Pearson相關(guān)系數(shù)檢驗，Spearman秩相關(guān)系數(shù)檢驗的靈敏度更高。本研究使用SPSS 20.0軟件，導(dǎo)入數(shù)據(jù)，選擇Spearman秩相關(guān)分析，使用單尾檢驗，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。Kendall等級相關(guān)系數(shù)是常用于描述2個測量量序數(shù)關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計量，可精確計算小樣本的相關(guān)關(guān)系，樣本總體分布可以不滿足正態(tài)分布。為進(jìn)一步驗證，本研究采用Kendall'stau-b作為檢驗統(tǒng)計量，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

一、血清金屬離子濃度

經(jīng)術(shù)前檢測，本研究組患者血清金屬離子濃度為鉻(6.53±11.95)μg/L、鈷(4.94±5.27)μg/L、鈦(119.41±40.51)μg/L。

二、假體周圍組織大體特征

無菌性假體周圍組織呈灰褐色囊壁樣結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)面光滑，可見絨毛狀突起，周圍組織呈增生狀，襯覆假體面的組織因附著金屬顆粒而呈黑色(圖1)。假體磨損嚴(yán)重病例可見金屬顆粒將膜樣組織全部覆蓋呈黑色(圖2)。

圖1 假體周圍見灰褐色囊壁樣結(jié)構(gòu)，襯覆假體面的組織因附著金屬顆粒呈黑色

圖2 假體周圍組織因全部被金屬磨損顆粒覆蓋呈黑色

三、假體周圍組織鏡下特征

金屬假體周圍組織滑膜可顯示不同程度的病變，完整的滑膜襯覆可見上皮細(xì)胞完好，滑膜呈乳頭狀結(jié)構(gòu)，上皮缺失程度不同，從部分缺失至完全缺失均可見到?；ど掀げ糠秩笔Э捎幸粚永w維素附著，伴有上皮下組織機(jī)化；滑膜上皮完全缺失則未見上皮被覆，伴廣泛纖維組織增生、玻璃樣變性，并呈現(xiàn)無細(xì)胞區(qū)。壞死可出現(xiàn)于滑膜表面或深部組織(圖3)，往往與纖維素性滲出混合存在，也可出現(xiàn)大片壞死不伴有細(xì)胞及組織結(jié)構(gòu)。壞死結(jié)果為1級和2級各1例，3級3例，4級13例。組織細(xì)胞增生可呈灶狀，可成片分布于滑膜上皮下，細(xì)胞胞漿豐富、呈泡沫樣，胞漿內(nèi)可見吞噬細(xì)小的金屬顆粒(圖4)。組織細(xì)胞增生結(jié)果為0級1例，1級2例，2級7例，3級7例，4級1例。淋巴細(xì)胞可散在分布于組織細(xì)胞間，也可表現(xiàn)為血管周圍少量或多量淋巴細(xì)胞聚集，少數(shù)病例出現(xiàn)彌漫淋巴細(xì)胞聚集伴有淋巴濾泡形成，漿細(xì)胞可與淋巴細(xì)胞并存(圖5，6)。血管周淋巴細(xì)胞聚集結(jié)果為0級1例，1級11例，2級5例，3級1例。

四、假體周圍組織金屬顆粒數(shù)量

金屬磨損顆粒沉積于受累組織內(nèi)使其呈灰黑樣。鏡下，金屬顆粒呈圓形、桿狀或不規(guī)則小黑色顆粒。金屬顆粒位于組織細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)和成纖維細(xì)胞間，在細(xì)胞內(nèi)顯示為細(xì)小黑色顆粒，在細(xì)胞間顯示為團(tuán)狀黑色顆粒(圖7)。金屬沉積嚴(yán)重的病例可呈現(xiàn)纖維組織間彌漫黑色顆粒(圖8)。在偏振光鏡下，金屬顆粒未見折光性。假體周圍組織金屬顆粒數(shù)量結(jié)果為0級1例，1級2例，2級5例，3級4例，4級6例。

五、相關(guān)性分析

1.血清金屬離子濃度與病理學(xué)結(jié)果的相關(guān)性：血清鉻、鈷、鈦離子濃度與假體周圍組織金屬顆粒數(shù)量相關(guān)，Spearman相關(guān)系數(shù)檢驗P值分別為0.038、0.042、0.004；與假體周圍壞死、組織細(xì)胞增生以及血管周淋巴細(xì)胞聚集無相關(guān)性。見表1。

2.假體周圍組織金屬顆粒數(shù)量與病理學(xué)結(jié)果相關(guān)性分析：假體周圍組織金屬顆粒數(shù)量與組織細(xì)胞增生和血管周淋巴細(xì)胞聚集的Kendall'stau-b等級相關(guān)系數(shù)檢驗P值分別為0.004和0.002。假體周圍組織金屬顆粒數(shù)量與組織細(xì)胞增生和血管周淋巴細(xì)胞聚集相關(guān)，與壞死不存在相關(guān)性。見表2。

圖3 滑膜表面纖維素性滲出伴壞死(HE×100) 圖4 組織細(xì)胞胞漿內(nèi)可見吞噬細(xì)小的金屬顆粒(HE×200) 圖5 血管周圍散在少量淋巴細(xì)胞(HE×100) 圖6 滑膜表面纖維素性滲出伴壞死(HE×100) 圖7 淋巴細(xì)胞聚集伴有初級淋巴濾泡形成(HE×100) 圖8 纖維組織間彌漫黑色金屬顆粒(HE×100)

表1 血清金屬離子濃度與假體周圍組織病理學(xué)改變的相關(guān)性

表2 假體周圍組織金屬顆粒數(shù)量與病理學(xué)改變的相關(guān)性

討 論

金屬假體具有高度抗磨損特點，可以減少人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體磨損，并且使用壽命較長，近年來為骨科所廣泛使用。然而，隨著人工關(guān)節(jié)應(yīng)用的增多，其金屬離子鈷和鉻的潛在毒性也受到越來越多的關(guān)注。一些研究結(jié)果已經(jīng)顯示，金屬人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后血清鈷和鉻離子濃度升高[12]。但是，目前對于這種血清金屬離子濃度的升高與假體周圍組織反應(yīng)的關(guān)系并不清楚。

金屬假體周圍組織對金屬的反應(yīng)可以是實性、囊性或混合性的，其命名也多種多樣，如囊腫、粘液囊、炎性包塊、金屬反應(yīng)、金屬高敏感、金屬碎屑的不良反應(yīng)、局部組織不良反應(yīng)以及假瘤等。這些名稱分別覆蓋了假體周圍組織對金屬不同方面的反應(yīng)，但都不十分準(zhǔn)確。囊腫或粘液囊提示液體的存在，反應(yīng)卻與實性包塊不同；金屬高敏感提示超敏反應(yīng)但卻不包括金屬碎屑的毒性效應(yīng)。Pandit等[13]引入假瘤一詞，將其定義為由于無菌性炎癥、液體積聚或其他原因?qū)е碌木植拷M織增大形成類腫瘤樣結(jié)構(gòu)，包括了周圍組織對假體反應(yīng)的所有方面。假瘤樣組織的形成一方面可能由于大量磨損顆粒的形成導(dǎo)致局部細(xì)胞毒性效應(yīng)。被巨噬細(xì)胞吞噬的金屬顆粒不能被溶酶體消化，在酸性環(huán)境下，這些顆粒連同前列腺素E2(prostin E2，PGE2)等炎性介質(zhì)可以被釋放，導(dǎo)致周圍組織壞死，同時這些顆粒還會被其他巨噬細(xì)胞吞噬，使該過程反復(fù)發(fā)生，引起局部組織壞死較重或骨溶解[14]。因此，在炎性浸潤并不明顯的組織內(nèi)壞死可以很顯著，這一過程提示細(xì)胞毒機(jī)制的存在[15]。另一方面，假瘤的形成也可能由于存在金屬的超敏反應(yīng)。臨床上，金屬碎屑在體液和組織內(nèi)的沉積可以導(dǎo)致局部和系統(tǒng)性不良反應(yīng)，也稱為“金屬碎屑的不良反應(yīng)(adverse reaction to metal debris，ARMD)”或“局部組織不良反應(yīng)(adverse local tissue reactions，ALTR)”[16]，ALTR是MOM髖關(guān)節(jié)置換術(shù)失敗的主要原因[17]。對于臨床表現(xiàn)的不良反應(yīng)，Willert等[18]引入了ALVAL概念，Compbell等[19]在2010年建立了假瘤組織的Compbell-ALVAL評分系統(tǒng)，對ALTR組織形態(tài)進(jìn)行描述。此評分系統(tǒng)囊括了滑膜的襯覆和完整性以及組織機(jī)化、巨噬細(xì)胞和炎細(xì)胞的浸潤，在組織機(jī)化的評估中包括了局灶壞死。關(guān)于血清金屬離子水平升高與ALVAL的相關(guān)性仍存在爭議。有文獻(xiàn)報道血清金屬離子水平升高與假體周圍ALTRs的發(fā)生有很強(qiáng)的相關(guān)性[20]。但是，顧建明等[21]通過對17例人工髖關(guān)節(jié)翻修術(shù)患者血清鈷和鉻離子濃度與ALVAL相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，二者無相關(guān)性。Plummer等[22]對80例MOM假體翻修術(shù)患者進(jìn)行研究，也認(rèn)為血清金屬離子濃度和病理學(xué)ALVAL評分沒有相關(guān)性。Compbell-ALVAL評分系統(tǒng)是對假體周圍組織進(jìn)行綜合評價，其中每個獨立指標(biāo)與金屬磨損的相關(guān)性并不明確，而且該系統(tǒng)沒有針對可能與金屬致敏性密切相關(guān)的淋巴細(xì)胞的單獨評分。2013年，Grammatopoulos等[11]進(jìn)一步建立了Oxford評分系統(tǒng)，其對血管周圍淋巴細(xì)胞聚集的半定量計數(shù)為Oxford-ALVAL評分。目前，血液循環(huán)中金屬離子對患者全身系統(tǒng)的影響并不明確，從本研究結(jié)果看來，血液循環(huán)中金屬離子濃度與局部組織的反應(yīng)如壞死、組織細(xì)胞及淋巴細(xì)胞的分布并無關(guān)系。

除血清中的金屬離子濃度外，本研究還對假體周圍組織內(nèi)沉積的金屬顆粒進(jìn)行了觀察與定量分析。形態(tài)上，金屬顆粒均為細(xì)小的黑色顆粒，直徑可達(dá)0.1 mm，但對其中的鈦、鈷、鉻、鉬等難以區(qū)分。金屬顆粒呈現(xiàn)細(xì)小顆粒狀分布或小團(tuán)塊狀聚集，嚴(yán)重時呈大片黑色彌漫分布，組織細(xì)胞內(nèi)可見吞噬的細(xì)小顆粒，但由金屬顆粒導(dǎo)致的多核巨細(xì)胞形成并不顯著。通過對血清金屬離子濃度與組織內(nèi)金屬顆粒半定量評分進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，組織內(nèi)金屬顆粒與血清鉻、鈷和鈦離子濃度均有相關(guān)性。但是，在假體周圍以外的部位并未發(fā)現(xiàn)金屬沉積，因此推測血清金屬離子濃度的升高可能不是導(dǎo)致局部組織金屬顆粒沉積的主要因素。隨著血清金屬離子濃度的升高，關(guān)節(jié)液金屬離子濃度也會增高，而且由于關(guān)節(jié)液與金屬假體緊密相鄰，假體磨損可能會導(dǎo)致關(guān)節(jié)液金屬離子濃度升高先于血清，因此局部組織內(nèi)金屬顆粒的沉積也可能來源于關(guān)節(jié)液。本研究未對關(guān)節(jié)液金屬離子濃度進(jìn)行測定，有待于將來進(jìn)一步分析以驗證這一推測。另外，假體周圍組織對金屬假體的直接磨損可能導(dǎo)致磨損顆粒沉積于假體周圍組織內(nèi)，成為造成局部組織內(nèi)金屬顆粒沉積的第3個因素。

在假體周圍組織中組織細(xì)胞反應(yīng)很常見，當(dāng)增生顯著時可能與組織細(xì)胞源性腫瘤相混淆。組織細(xì)胞主要表現(xiàn)為吞噬各類磨損顆粒，胞漿呈泡沫樣，內(nèi)含細(xì)小金屬磨損顆粒。當(dāng)磨損顆粒較大時，假體周圍組織表現(xiàn)為多核異物巨細(xì)胞吞噬或包繞異物顆粒，有時組織細(xì)胞成為假瘤組織的主要組成成分。局部沉積的金屬顆?？赡軐袤w周圍組織中的組織細(xì)胞具有誘導(dǎo)及趨化作用，使組織細(xì)胞聚集并吞噬金屬顆粒，與此一致的是本研究中發(fā)現(xiàn)金屬顆粒與組織細(xì)胞分布有密切相關(guān)性。Grammatopoulos等[11]發(fā)現(xiàn)壞死及組織細(xì)胞增生與假體磨損呈中等程度相關(guān)，認(rèn)為組織細(xì)胞反應(yīng)為對于磨損顆粒的非特異性反應(yīng)。認(rèn)為壞死是金屬離子釋放的結(jié)果。假體周圍離子濃度升高及金屬顆粒尤其是鈷在局部組織的沉積，更易于產(chǎn)生巨噬細(xì)胞的毒性反應(yīng)，這些磨損顆粒對于滑膜上皮的毒性作用可引起上皮缺失及潰瘍形成。盡管壞死可能是細(xì)胞毒機(jī)制的形態(tài)學(xué)體現(xiàn)，但本研究通過對表面組織壞死的分型及分級半定量評估，發(fā)現(xiàn)其與血清金屬離子濃度及金屬顆粒數(shù)量均無相關(guān)性。因此，細(xì)胞毒機(jī)制的產(chǎn)生可能與金屬離子濃度及組織內(nèi)顆粒數(shù)量并無關(guān)系。金屬顆?？赡茏鳛檎T導(dǎo)因子誘導(dǎo)細(xì)胞毒效應(yīng)的產(chǎn)生及放大，但這一過程的啟動和增強(qiáng)與誘導(dǎo)因子的量無關(guān)。本研究通過應(yīng)用Oxford-ALVAL評分系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，假體周圍組織內(nèi)沉積的金屬顆粒與淋巴細(xì)胞分布具有密切相關(guān)性，這一結(jié)果進(jìn)一步說明局部組織的金屬顆?？梢鹁植拷M織內(nèi)的淋巴細(xì)胞反應(yīng)，即Ⅳ型超敏反應(yīng)的產(chǎn)生。

本研究的結(jié)果將為臨床抗細(xì)胞毒及超敏反應(yīng)研究奠定基礎(chǔ)。本研究具有一定的局限性：一是樣本數(shù)量較少；二是組織的評估結(jié)果取決于取材部位及數(shù)量，存在主觀性和片面性。后續(xù)可通過加大樣本數(shù)量加以彌補(bǔ)。同時我們提倡假體周圍組織全部取材，以克服取材的高選擇性造成的不足。