鎂元素及鎂材料在關節(jié)軟骨損傷修復中的作用及機制研究進展

褚云峰 于紅燕 楊琪 彭艷斌 陳仲 劉明 于斐,3*

1.北京大學深圳醫(yī)院，廣東 深圳 518036 2.濱州市濱城區(qū)市立醫(yī)院，山東 濱州 256600 3.骨科生物材料國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東 深圳 518036

關節(jié)軟骨是一種覆蓋于關節(jié)表面起到減震和潤滑等作用的透明軟骨，主要由軟骨細胞和細胞外基質(zhì)構成，由于關節(jié)軟骨缺乏血管、神經(jīng)并且與循環(huán)系統(tǒng)分離，關節(jié)軟骨的愈合能力較差，炎癥[1]、創(chuàng)傷[2]、腫瘤[3]等可造成其退變損傷。若關節(jié)軟骨損傷后診斷和治療不及時，可引起對應關節(jié)面及周圍組織退變，如椎間盤退變[4]，嚴重者可繼發(fā)骨關節(jié)炎(osteoarthritis，OA)[5]。隨著科技和醫(yī)療的進步，人口壽命增加，造成的關節(jié)軟骨損傷患者數(shù)量不斷攀升，患者生活質(zhì)量下降的同時給患者家庭及國家醫(yī)療衛(wèi)生造成沉重負擔。只有使損傷關節(jié)軟骨的形態(tài)學、生物力學和生化等方面恢復正常，才能夠有效緩解患者癥狀，這也給臨床醫(yī)務工作者帶來了機遇和挑戰(zhàn)[6]。

鎂元素是機體必不可少的元素之一，在體內(nèi)僅次于鈣、鉀、鈉排第四，參與人體骨骼的構成并參與機體幾乎全部的能量代謝反應，同時鎂元素也是酶促反應最重要的輔助因子，對維持生命健康起到重要作用[7]。近些年研究顯示，鎂元素及鎂材料在骨科[8]、心血管[9]、神經(jīng)科學[10]等領域起到重要作用，也因此受到大量研究者的關注。筆者就鎂元素及其合金在關節(jié)軟骨損傷中的作用及機制作一綜述，為相關研究者提供便利。

1 鎂元素及鎂材料簡介

鎂(Magnesium)是一種金屬元素，符號為Mg，最初是在1808年由英國代維用鉀還原氧化鎂制得銀白色的輕質(zhì)堿土金屬，在自然界中廣泛分布。鎂離子(Mg2+)是細胞內(nèi)的主要陽離子，線粒體中分布較多，僅次于鉀和磷，正常人含鎂約25 g，約2/3分布于骨骼和牙齒，另有約27%分布于軟組織。在人體中，缺乏鎂可造成情緒不安、手足抽搐、反射亢進等，鎂中毒則可導致腹痛、疲乏無力，甚至呼吸困難等，鎂元素的平衡對于維持機體健康有重要的作用[11]。

在醫(yī)學領域，鎂材料可以分為非金屬材料[12]和金屬材料[13]，前者包括含鎂陶瓷、含鎂有機多聚物材料、含鎂凝膠等；后者則是添加了適量的釹、鋅、鋯等元素的合金。鎂材料強度一般比純鎂硬，降解速率減慢，更加適合作為醫(yī)學內(nèi)植物的用途，近年來也受到了越來越多的關注。鎂材料具有其他材料無法比擬的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點：(1)鎂材料的生物安全性高，正如前文所述，鎂材料在機體內(nèi)降解的主要產(chǎn)物是鎂元素，是構成人體的主要元素，并且參與機體多種過程[14]；(2)鎂材料的可降解性能好，根據(jù)添加的其他物質(zhì)或金屬元素的比例不同，可以制備不同降解速率的鎂材料，使其降解過程與疾病情況下周圍組織再生的速度相符合，鎂材料降解后造成的局部及循環(huán)系統(tǒng)Mg2+濃度升高并不造成機體鎂中毒，反而能夠起到補充Mg2+的作用，對人體有益，另一降解產(chǎn)物氫氣也是無毒害的氣體，甚至能夠起到抗炎作用[15]；(3)鎂材料尤其鎂合金的生物相容性好，在骨科領域，鎂是目前所用金屬材料中與骨彈性模量最為接近的金屬，其40 GPa的彈性模量與骨3～20 GPa的彈性模量最為契合，進而減少骨科生物材料領域的應力遮擋效應[16]，這在關節(jié)軟骨損傷修復中軟骨及軟骨下骨再生中起到重要作用；(4)鎂材料的制作成本低，由于其分布廣泛，與其他材料相比，獲得更為容易，合成費用也大大降低，從而更有利于作為商品化材料大規(guī)模生產(chǎn)。

2 鎂元素在軟骨損傷修復中的作用及機制

OA由軟骨損傷引起，鎂元素在OA中能夠起到重要作用，其可以通過多種途徑對機體產(chǎn)生影響，比如飲食補充、局部用藥等，而且其在局部或全身濃度變化均有可能通過調(diào)控軟骨組織或軟骨細胞的改變參與到軟骨損傷相關疾病OA的發(fā)展進程中。筆者以OA為例探討鎂元素在軟骨損傷修復中的作用和機制。

Kuang等[17]認為膳食鎂與OA之間存在密切關系，機體Mg2+濃度低能夠誘導人成纖維細胞衰老，補充鎂不僅減緩軟骨細胞凋亡，而且促進軟骨細胞增殖和分化；膳食中補充鎂可以與益生菌協(xié)同作用調(diào)節(jié)腸道微生物組的狀態(tài)進而影響腸道炎癥環(huán)境，并參與到OA進程中。Veronese等[18]通過橫斷面研究證實，每天增加100 mg鎂攝入量，平均軟骨厚度、脛骨內(nèi)側軟骨體積、股骨中央內(nèi)側軟骨體積和平均軟骨厚度、脛股中央內(nèi)側隔室的軟骨體積和平均軟骨厚度均顯著增加，提示鎂在預防和治療膝OA中的作用。Yao等[19]發(fā)現(xiàn)Mg2+通過促進缺氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1，HIF-1α)介導的軟骨基質(zhì)合成，進而在OA中起到作用，他們進一步證實關節(jié)腔注射Mg2+和維生素C可通過抑制骨贅形成和疼痛相關神經(jīng)肽的表達減輕小鼠OA模型的關節(jié)破壞和疼痛，并且這一過程顯著促進了滑膜巨噬細胞的M2極化，并認為這是治療OA的一種替代療法。Liu等[20]建立新西蘭大白兔創(chuàng)傷后骨關節(jié)炎(post traumatic osteoarthritis，PTOA)模型，使用硫酸鎂、氯化鈉及氯化鈣持續(xù)沖洗進行治療，發(fā)現(xiàn)硫酸鎂沖洗后血清Mg2+濃度高于其他組別，術后35 d時，滑液中白介素1β(interleukin-1 β，IL-1β)、白介素6(interleukin-6，IL-6)、抗酒石酸酸性磷酸酶5b(tartrate-resistant acid phosphatase-5b，TRAP-5b)和Ⅱ型膠原的表達量低于其他組別，并且軟骨表面光滑度、軟骨細胞形態(tài)、膠原纖維排列和蛋白多糖密度均優(yōu)于其他組別，認為硫酸鎂持續(xù)沖洗可以治療PTOA。Yue等[21]離體及在體實驗均證實了Mg2+在OA中的作用，他們使用小鼠軟骨細胞系ATDC5發(fā)現(xiàn)，Mg2+能夠抑制該細胞的細胞外基質(zhì)鈣化，并下調(diào)肥大相關基因Runt相關轉(zhuǎn)錄因子2(RUNX2)、基質(zhì)金屬蛋白酶13(matrix metalloproteinase 13，MMP13)和10α1型膠原(collagen 10α1，Col10α1)，上調(diào)軟骨生成基因轉(zhuǎn)錄因子SOX9(SRY-related high mobility group-box gene 9)和1α1型膠原(collagen 1α1，Col1α1)，同時通過細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)磷酸化抑制自噬及降低微管相關蛋白輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)的表達；在OA動物模型中關節(jié)內(nèi)持續(xù)注射氯化鎂則顯著減輕OA動物的軟骨鈣化，認為氯化鎂通過抑制自噬保護了膝關節(jié)軟骨。Muski等[22]評估了OA患者血漿中硅、鎂、游離鈣的相關性，發(fā)現(xiàn)女性OA患者血漿中鎂含量明顯降低，從而認為女性OA與血漿鎂之間存在某種聯(lián)系，而男性患者中則沒有這種聯(lián)系。Kosik-Bogacka等[23]則調(diào)查了波蘭北部OA患者術后軟骨中鈣、鎂、鋅、鉛濃度的關系，發(fā)現(xiàn)男性患者中鈣、鎂、鋅濃度顯著高于女性。Zeng等[24]分析了關節(jié)鏡術后單劑量關節(jié)內(nèi)鎂的鎮(zhèn)痛效果和安全性，發(fā)現(xiàn)鎂與布比卡因在緩解疼痛及首次鎮(zhèn)痛起效時間上沒有區(qū)別，而且補充鎂對軟骨組織和軟骨細胞有保護作用。Rubio-Martínez等[25]使用甲哌卡因、布比卡因、嗎啡和硫酸鎂單獨或聯(lián)合刺激馬滑膜或軟骨細胞，發(fā)現(xiàn)嗎啡和硫酸鎂單獨使用或聯(lián)合使用對馬關節(jié)組織細胞沒有毒性，而二者分別與局麻藥甲哌卡因、布比卡因聯(lián)合使用時，與局麻藥單用相比更加降低了兩種細胞的活力，這也說明適量Mg2+雖然對生物體有益，但與某些藥物不能配伍。由此可知，適量的鎂元素能夠?qū)A關節(jié)軟骨起到保護作用，這可能與性別等因素相關，而且與其他藥物配伍能夠影響到鎂元素的作用。

3 鎂材料在軟骨損傷修復中的作用及機制

正如以上所述，鎂材料可以分為非合金鎂材料及鎂合金材料，兩者均在軟骨損傷修復中起到重要作用。不同物質(zhì)或成分復合不同濃度的Mg2+或鎂化合物，其修復軟骨損傷時的作用效果及機制不同。

3.1 非合金鎂材料在軟骨損傷修復中的作用及機制

Angrisani等[26]將高純度鎂柱植入新西蘭大白兔膝OA模型中，發(fā)現(xiàn)鎂柱可以降低OA軟骨下骨的損傷程度，并且骨體積顯著增加，認為其對OA的進展有益。Bedair等[27]則對鎂陶瓷的醫(yī)學應用進行了總結，認為鎂陶瓷能夠促進骨、軟骨、腎臟組織的再生，具有理想的理化性質(zhì)和生物學效益。Wang等[28]制備了一種以Mg2+為平衡離子的400 nm非晶態(tài)多孔微粒材料，該材料強烈促進了軟骨細胞的黏附，并導致編碼3A1膠原和SOX9的基因上調(diào)，認為該微?？梢酝ㄟ^清除鈣離子(Ca2+)防止滑液中鈣晶體的形成，并將鈣微粒在軟骨表面與透明質(zhì)酸結合后增強軟骨細胞的功能。Park等[29]將氫氧化鎂納米顆粒(magnesium hydroxide nanoparticles，MH)加入到多孔聚合物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]支架中制備出PLGA/MH支架材料，該材料在體外增加了骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)軟骨生成標志物的表達，并減少了其鈣化，同時因減少了BMSCs軟骨分化早期的炎性因子如核因子κB的表達及含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶1(csyteine aspartic acic specific protease 1，Caspase1)的釋放及而降低了細胞凋亡；該材料在大鼠體內(nèi)也能夠支持骨軟骨缺損部位的軟骨生成及愈合。Yu等[30]研究了對軟骨修復至關重要的鈣化軟骨區(qū)，該區(qū)域是透明軟骨與軟骨下骨之間的鈣化區(qū)域，他們使用3 D打印技術制備了含不同鈣-鎂配比的水凝膠支架，發(fā)現(xiàn)增加鎂后的支架使人深部軟骨細胞保持了鈣化軟骨區(qū)特異性細胞外基質(zhì)標記物和肥大標記物X型膠原的高表達，認為其更適合誘導鈣化軟骨的形成。Chin等[31]制備了含Mg2+的聚癸二酸甘油酯(polyglycerol sebacate，PGS)支架、含Mg2+的明膠支架以及含Mg2+和磷酸三鎂(magnesium phosphate，TMP)粉末的明膠支架用于修復西班牙波爾山羊下頜骨髁狀突骨軟骨缺損，含Mg2+修復后的軟骨中含有更多的糖胺聚糖和Ⅱ型膠原，其中TMP并不降解并可能起到阻礙軟骨愈合的作用。Condello等[32]在人體中應用具有Ⅰ型馬膠原蛋白和富鎂羥基磷灰石三層結構的仿生支架治療早期OA患者膝關節(jié)骨軟骨損傷，認為使用此類仿生支架治療早期OA能夠提供良好和穩(wěn)定的臨床結果，患者滿意度高，并發(fā)癥發(fā)生率低。Martínez Snchez等[33]對生長板骨折進行了分析，發(fā)現(xiàn)鎂基材料能夠誘導與細胞軟骨發(fā)生和軟骨形成相關的蛋白質(zhì)的表達，從而有利于軟骨再生。Wan等[34]在小鼠膝OA模型中使用含鎂粉的聚(乳酸-羥基乙酸)微粒作為傳送系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在機體體液中鎂的鈍化/活化循環(huán)介導下作為持續(xù)性傳遞氫氣的“倉庫”，起到減輕組織炎癥，防止軟骨破壞，阻止OA進展的作用。

3.2 鎂合金材料在軟骨損傷修復中的作用及機制

Jungesblut等[35]使用德國Syntellix AG公司開發(fā)的經(jīng)過CE認證的 MAGNEZIX可降解鎂合金壓縮螺釘固定不穩(wěn)定的剝脫性骨軟骨炎損傷及移位的骨軟骨碎片的安全性和有效性，發(fā)現(xiàn)在術后11個月左右的短期隨訪中，患者原來的不穩(wěn)定因素消失，MAGNEZIX可降解鎂合金為骨軟骨損傷及碎片提供了穩(wěn)定性并引起及時的愈合。李向前[36]研究頸椎間盤退變疾病時使用鎂合金鋼板作為內(nèi)固定材料在山羊頸椎行環(huán)鋸減壓椎間植骨融合術后用鎂合金鋼板進行固定，發(fā)現(xiàn)此材料能夠重建頸椎前路術后的頸椎即刻穩(wěn)定性，并且因其可吸收而是一種比較理想的頸椎內(nèi)固定材料。王常成[37]使用兔BMSCs、羊膜、鎂合金共培養(yǎng)建立起負載干細胞的鎂合金生物材料，用其修復兔軟骨缺損，發(fā)現(xiàn)三者共培養(yǎng)的支架能夠促進軟骨細胞生成，有利于軟骨缺損修復。張堯[38]使用激光打孔法制備了多孔鎂合金支架，并在其表面制備鈣磷涂層提高抗腐蝕性，當人BMSCs復合在該材料表面上時，在體外可以產(chǎn)生軟骨特異性的Ⅱ型膠原及蛋白聚糖，促進細胞增殖，誘導產(chǎn)生軟骨組織，但是無涂層的鎂合金因降解過快而不適宜接種細胞。孫仰白[39]則構建了兔脂肪干細胞、β磷酸三鈣(β-tricalcium phosphate，β-TCP)/多孔鎂合金雙相支架組織化工程軟骨復合體，用其修復兔膝股骨外髁負重區(qū)骨軟骨缺損，發(fā)現(xiàn)其在動物體內(nèi)可提供力學支撐，并不斷降解，同時促進了缺損處骨與軟骨的修復。Shimaya等[40]在發(fā)現(xiàn)60%以上的滑膜間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)促進軟骨再生的基礎上，證實整合素α3和β1的中和抗體能夠抑制鎂對人滑膜MSCs與膠原的粘附，而且鎂可能通過中和整合素β1抗體促進體外人滑膜MSCs軟骨形成中軟骨基質(zhì)的合成。

4 小結與展望

關節(jié)軟骨損傷可由炎癥、創(chuàng)傷、腫瘤等造成，并且有關節(jié)軟骨損傷的患者數(shù)量逐年增加，其修復成為了骨科醫(yī)生關注的熱點。國內(nèi)外研究證實，鎂元素在退變軟骨組織及軟骨細胞中有重要作用，因鎂元素在生物體內(nèi)功能重要及鎂材料生物安全性高、可降解性能好、生物相容性好及制作成本低等優(yōu)勢，使得含鎂材料成為軟骨損傷修復領域的焦點，鎂材料可通過攜載生物活性物質(zhì)處理的種子細胞使得支架材料的三要素(生物材料、種子細胞及生物活性物質(zhì))有機結合為一體，并通過相關信號通路中靶因子的作用影響軟骨基質(zhì)及基質(zhì)合成降解相關酶類表達，從軟骨及軟骨下骨的整體修復軟骨損傷。但由于單純鎂材料強度低、降解產(chǎn)物中氫氣含量多等問題，研究者需要通過材料改性或者添加其他材料及元素，并結合種子細胞及各種優(yōu)勢生物活性物質(zhì)，制備出降解速率與軟骨再生速度相符、能夠控釋藥物、彈性模量與軟骨組織接近的鎂材料，并了解該類材料在促進軟骨再生中的作用機制對醫(yī)療領域治療軟骨損傷至關重要，這可以為患者帶來福音。