創(chuàng)傷性骨軟骨損傷治療的研究進展

李興嶼，周 杰，李沙沙，國富建，楊 翠，葉 鵬，張?zhí)煜?/p>

遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院急診科，貴州 遵義 563003

在關(guān)節(jié)損傷中，骨軟骨損傷(osteochondral lesions,OL)指軟骨和軟骨下骨的局部損傷，由急性創(chuàng)傷和多種慢性疾病引起形態(tài)學(xué)改變，臨床以創(chuàng)傷較為常見[1]。其中又以膝、髖、踝關(guān)節(jié)損傷多見。由于關(guān)節(jié)軟骨再生潛能微弱，目前多種治療措施均存在缺陷，OL治療后常合并各種并發(fā)癥，導(dǎo)致預(yù)后不良，影響患者關(guān)節(jié)功能。近年來，由于對組織工程支架研究的深入，用來修復(fù)OL的各種新型材料制備而成的支架也逐漸被應(yīng)用于臨床，但目前對于各類支架治療OL的有效性還暫未達成共識。本文就OL的研究進展予以分析回顧,旨在為臨床診療提供參考。

1 創(chuàng)傷性O(shè)L

創(chuàng)傷性O(shè)L年輕患者常見，包括骨瘀傷、軟骨骨折、軟骨下骨折和骨軟骨骨折，與高強度暴力作用于骨骼相關(guān)。

1.1解剖 骨軟骨單元由關(guān)節(jié)軟骨成分和較深的軟骨下骨成分組成[2]。軟骨主要由密集的細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)和少量的軟骨細胞組成[3]。ECM由水、II型膠原和蛋白聚糖組成，II型膠原、蛋白多糖和膠原纖維形成一個固體網(wǎng)絡(luò)，軟骨層的膠原纖維由表層向深層逐漸變少，而蛋白聚糖逐漸增多，蛋白聚糖集體嵌入其中。不同軟骨可有不同的膠原分布模式，軟骨內(nèi)纖維的分布方向通常抵抗著軟骨所承受的張力方向[4]。軟骨層由淺入深可分為四個區(qū)：淺區(qū)、過渡區(qū)、深區(qū)和鈣化軟骨區(qū)，每個區(qū)域均有獨特的細胞、膠原纖維以及ECM成分，以實現(xiàn)不同的生物力學(xué)功能，表層區(qū)域主要降低剪切力，而深層區(qū)域則對抗壓縮力，軟骨的特殊之處在于其沒有血管、淋巴管和神經(jīng)[5]。軟骨組織和軟骨下骨的連接處稱為骨軟骨連接，供應(yīng)骨軟骨的動脈、靜脈和神經(jīng)只能到達軟骨的鈣化軟骨層，軟骨下板內(nèi)有微小的管道，這是關(guān)節(jié)軟骨營養(yǎng)供給的主要途徑[6]。軟骨下骨是骨軟骨單位最深的組織，主要由羥基磷灰石(hydroxylapatite,HA)和I型膠原組成，因此軟骨下骨有較強的硬度和剛度[1]。

1.2病理生理 創(chuàng)傷性O(shè)L首先影響關(guān)節(jié)軟骨，當(dāng)力度足夠大時破壞軟骨下骨，是一種“由外而內(nèi)”的致傷機制。關(guān)節(jié)軟骨提供一個光滑、低摩擦、承重的表面，加之關(guān)節(jié)腔內(nèi)的滑膜液含有透明質(zhì)酸和由淺層軟骨細胞分泌的潤滑素[7]，可潤滑軟骨表面，延長關(guān)節(jié)壽命，因其中含有電解質(zhì)、氧氣和葡萄糖，它也是軟骨細胞的營養(yǎng)來源之一。由于軟骨中缺乏直接滋養(yǎng)的血管和神經(jīng)，其營養(yǎng)來源主要是通過軟骨下骨內(nèi)血管的基質(zhì)滲透，當(dāng)軟骨損傷時，關(guān)節(jié)軟骨的自我修復(fù)能力有限。相關(guān)研究提示發(fā)生關(guān)節(jié)OL時，周圍的組織相對健康軟骨組織具有較低的細胞性，動物模型證實，對OL行手術(shù)治療后的幾周乃至幾個月，可觀察到其缺損邊緣100μm內(nèi)的細胞密度變低，且部分軟骨細胞會發(fā)生凋亡，其中以創(chuàng)傷后第4天的凋亡率最高[8]。

1.3診斷 創(chuàng)傷性O(shè)L患者多見于青少年[9]，通常會有創(chuàng)傷史，臨床表現(xiàn)為創(chuàng)傷碰撞后的關(guān)節(jié)急性疼痛、關(guān)節(jié)積血、反復(fù)運動后關(guān)節(jié)疼痛和關(guān)節(jié)活動受限等，具體情況根據(jù)致傷機制不同而不同。目前MRI和關(guān)節(jié)鏡是診斷關(guān)節(jié)內(nèi)OL的金標準，MRI適用于早期的創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)內(nèi)OL，可以確定病變的大小、具體位置、是否合并骨髓病變、骨折線及軟骨下板畸形程度等。關(guān)節(jié)鏡檢查雖然能清楚暴露軟骨表面病變，但對于深部軟骨、軟骨下骨病變診斷較困難，而臨床上關(guān)節(jié)鏡檢查一般用于需要合并手術(shù)治療的患者[10]。

2 創(chuàng)傷性O(shè)L治療

創(chuàng)傷性O(shè)L的治療主要包括三個方面：控制疼痛、改善關(guān)節(jié)功能、阻止疾病進一步發(fā)展，治療方案的選擇取決于年齡、癥狀嚴重程度及病變的分型[11]。

2.1非手術(shù)治療 非手術(shù)治療多適用于骨軟骨塊無移位的兒童患者，療效尚可，對于成人效果多不佳。傳統(tǒng)的非手術(shù)治療提倡早期休息、禁止負重并使用石膏固定，后期制動并逐漸恢復(fù)運動。相關(guān)實驗證明當(dāng)軟骨缺損<4mm時可在傷后3～4個月內(nèi)以纖維軟骨的方式修復(fù)，因此，對于4mm以內(nèi)的OL，非手術(shù)治療仍是首選[11]。藥物治療OL也很有必要，其中有非甾體類、中草藥、軟骨保護藥物、糖皮質(zhì)激素類等。中草藥通過內(nèi)服外敷、熏洗、浸泡等緩解癥狀；臨床上較常用的軟骨保護藥物是透明質(zhì)酸，它對關(guān)節(jié)軟骨有營養(yǎng)、潤滑及防止關(guān)節(jié)粘連攣縮等作用；關(guān)節(jié)軟骨創(chuàng)傷后早期行關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射透明質(zhì)酸能有效抑制軟骨細胞凋亡，預(yù)防創(chuàng)傷后骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生；糖皮質(zhì)激素類能緩解關(guān)節(jié)疼痛，其短期效果良好。

2.2手術(shù)治療 當(dāng)創(chuàng)傷性O(shè)L非手術(shù)治療3～6個月后療效欠佳，或者急性損傷后有面積較大的分離移位的OL時可考慮手術(shù)治療[12]。常用手術(shù)方式有關(guān)節(jié)鏡下病灶微骨折術(shù)、骨軟骨移植術(shù)、骨軟骨碎片固定術(shù)、關(guān)節(jié)置換術(shù)等[3,13]。而手術(shù)方式的選擇在很大程度上取決于病變的大小、深度和位置[14]。

2.2.1關(guān)節(jié)鏡下病灶微骨折術(shù):關(guān)節(jié)鏡下病灶微骨折術(shù)指關(guān)節(jié)鏡下將患部的非健康軟骨、鈣化軟骨清除，使患者的軟骨缺損能夠正常生長，重新恢復(fù)組織活性，對中小型OL治療效果佳[15-16]；適用于初次發(fā)病、病灶直徑<1cm的患者，具有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快和術(shù)后并發(fā)癥少等優(yōu)勢，還能觀察關(guān)節(jié)內(nèi)情況，評估關(guān)節(jié)受損程度。缺點是術(shù)后缺損區(qū)彈性及光滑性均不如透明軟骨的纖維軟骨，如果修復(fù)失敗，會對軟骨造成更大損傷，并且不適于直徑大的病灶及合并軟骨下骨囊變的OL。相關(guān)研究顯示采用關(guān)節(jié)鏡微骨折術(shù)治療膝關(guān)節(jié)OL效果確切,預(yù)后良好，能促進損傷的康復(fù)[17]。Carlson等[18]對距骨OL的22例平均年齡為14.4歲青少年患者進行關(guān)節(jié)鏡下治療，在2年的隨訪中發(fā)現(xiàn)有較高臨床滿意度，且能變緩OL向骨關(guān)節(jié)炎進展的速度。

2.2.2骨軟骨移植術(shù):骨軟骨移植術(shù)包括自體骨軟骨移植術(shù)(osteochondral autograft transfer,OAT)和異體骨軟骨移植術(shù)(osteochondral allograft transplant,OCA)。OAT是取自體非負重區(qū)的正常骨軟骨塊移植至缺損區(qū)，或在體外培養(yǎng)擴增后再植入關(guān)節(jié)軟骨的缺損處，由于是自體組織，沒有排異反應(yīng)，康復(fù)較快。但因供體數(shù)量少、修復(fù)面積有限，所以只適合修復(fù)面積<2cm2的OL[19]。有學(xué)者對57例距骨OL患者行手術(shù)干預(yù)發(fā)現(xiàn)，OAT術(shù)后患者總體滿意度、疼痛和功能顯著改善，且術(shù)后能恢復(fù)運動的概率很高[20]。OCA一般修復(fù)面積>2cm2的OL[19]，但存在免疫排斥反應(yīng)[21]、費用高等問題，臨床應(yīng)用也相應(yīng)地受到限制。

2.2.3骨軟骨碎片固定術(shù):在有大骨軟骨碎片的創(chuàng)傷性O(shè)L情況下，骨軟骨碎片固定術(shù)被視為創(chuàng)傷性O(shè)L的首選治療方法。通過螺釘、金屬/生物可吸收線和纖維蛋白膠將骨軟骨碎片固定回缺損部位，達到解剖復(fù)位狀態(tài)。這通常需要結(jié)合受傷時間以及碎片大小和完整性，且每種固定技術(shù)均有令人滿意的骨軟骨碎片愈合的報道，但是每種方法都有一些缺點和并發(fā)癥，如需要第二階段植入物移除、存在組織反應(yīng)、延遲降解等問題[22-24]。Malecki等[25]對17例髕骨脫位后發(fā)生髕骨關(guān)節(jié)面骨軟骨骨折的患者行骨軟骨碎片固定，發(fā)現(xiàn)髕骨關(guān)節(jié)面修復(fù)良好。

2.2.4關(guān)節(jié)置換術(shù):關(guān)節(jié)置換術(shù)治療創(chuàng)傷性O(shè)L既能緩解疼痛又在一定程度上保留關(guān)節(jié)功能，一般適用于已發(fā)展為骨性關(guān)節(jié)炎的創(chuàng)傷性O(shè)L。不足之處存在手術(shù)費用昂貴、關(guān)節(jié)假體有一定的使用壽命、術(shù)后患肢關(guān)節(jié)活動僵硬等問題，其在臨床上治療早期創(chuàng)傷性O(shè)L有待商榷。Oladeji等[26]對脛骨平臺骨折的患者隨訪發(fā)現(xiàn)部分患者遠期仍需行關(guān)節(jié)置換。

3 組織工程支架

組織工程支架指以天然或人工合成材料為代表的可降解生物材料制定的有一定空間結(jié)構(gòu)的支架，為一定量有生物活性的細胞增殖和分化提供載體，并能在體外或體內(nèi)形成有活性的組織，目前在皮膚、骨軟骨、血管等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[27-28]。目前常用的骨軟骨組織工程支架有天然支架、人工合成支架、仿生材料支架等。

3.1天然支架和人工合成支架 目前天然支架材料有膠原、殼聚糖(chitosan,CS)、絲素蛋白(silkfibroin,SF)、HA及其衍生物等[28-29]。Crawford等[30]通過臨床試驗證實采用軟骨細胞膠原復(fù)合物治療關(guān)節(jié)軟骨損傷療效滿意。Dell’osso等[31]指出，如果設(shè)計的支架更接近周圍的組織，則該支架將表現(xiàn)出更好的性能。大量的研究表明SF、CS和納米羥基磷灰石(nano-hydroxyapatite,nHA)擁有良好的生物學(xué)特性和理化性質(zhì)，因而成為了天然支架常用的生物材料[32]，具有無毒、降解速度可調(diào)控、來源不受限、物理機械性能好等優(yōu)點。人工合成支架材料有聚乙烯醇、聚乳酸和聚羥基乙酸等。但其生物相容性差、降解不理想、易引起炎癥反應(yīng)、免疫排斥反應(yīng)后破壞支架結(jié)構(gòu)，因此研究者大都致力于提高其生物相容性。

3.2仿生材料支架 仿生材料支架結(jié)構(gòu)類似于人體天然的骨軟骨結(jié)構(gòu)，有良好的生物相容性和安全性，能促進OL修復(fù)。有學(xué)者提出通過利用能夠負載活性細胞和治療藥物的可注射凝膠支架材料，構(gòu)造的納米纖維仿生支架具有類細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能[33]。Dimartino等[34]對24例接受了無細胞仿生骨軟骨支架植入手術(shù)的患者進行了10年隨訪，結(jié)果發(fā)現(xiàn)患者臨床癥狀改善顯著且穩(wěn)定，總體效果良好。

3.3種子細胞與生長因子 種子細胞和生長因子也是骨軟骨組織工程研究中必不可少的核心問題。種子細胞擁有增殖和分化為不同種系細胞的潛能，現(xiàn)目前主要研究有胚胎干細胞(embryonic stem cells,ESCs)和間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)。理想的種子細胞應(yīng)具備能高質(zhì)量地修復(fù)骨軟骨缺損、取材方便、對機體損傷小、有較強的增殖能力并擁有良好的生物學(xué)活性的特點。Schütz 等[35]在模仿骨骼和軟骨特性的雙相支架相關(guān)研究中，通過在支架中嵌入人軟骨細胞和人間充質(zhì)干細胞后成功地誘導(dǎo)了軟骨形成。Angthong等[36]將踝關(guān)節(jié)滑膜處取得的MSCs體外培養(yǎng)21d后，發(fā)現(xiàn)可以分化出脂肪細胞、骨細胞和軟骨細胞，并將富含膠原蛋白基質(zhì)的滑膜來源的MSC注射入受損部位后發(fā)現(xiàn)該患者手術(shù)恢復(fù)良好，疼痛和腳踝的運動得到改善。

現(xiàn)已明確在骨軟骨形成過程中的生長因子主要有骨形成蛋白、轉(zhuǎn)化生長因子-β、血小板衍生生長因子和血管內(nèi)皮生長因子等，而OL愈合過程需要通過多種生長因子協(xié)同發(fā)揮作用。骨軟骨定向分化因子可通過使用不同的培養(yǎng)方法、介質(zhì)添加物、基因轉(zhuǎn)染等方式促使干細胞向骨軟骨轉(zhuǎn)化[37]。

4 總結(jié)

OL致傷機制復(fù)雜、臨床表現(xiàn)各異，對應(yīng)的治療大多需個體化，經(jīng)積極正確的治療，大多預(yù)后較好。但損傷嚴重的創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)OL患者，關(guān)節(jié)功能恢復(fù)受限，甚至出現(xiàn)嚴重殘疾影響生活質(zhì)量的，需行關(guān)節(jié)置換保障生活質(zhì)量。軟骨和軟骨下骨都有獨特的功能，需作為一個單元共同發(fā)揮功能，以恢復(fù)和保持關(guān)節(jié)健康，而隨著骨軟骨組織工程研究取得了巨大進展，組織工程雙相或三相支架可以模仿天然的骨軟骨復(fù)合物單元用于骨軟骨修復(fù)[38-39],現(xiàn)目前相關(guān)臨床試驗已證實骨軟骨多相支架治療創(chuàng)傷性O(shè)L的效果顯著[28]，已然成為修復(fù)OL理想的方向,期待未來對應(yīng)的創(chuàng)傷性O(shè)L有更好的治療方法。

作者貢獻聲明：張?zhí)煜?、葉鵬：文章撰寫、綜述設(shè)計、審校；李興嶼、周杰、李沙沙、國富建、楊翠：文獻查閱、資料收集