關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射制劑增強微骨折治療軟骨缺損研究進展

陳志安,段培押,周田華,王江南,譚洪波,施榮茂

關(guān)節(jié)軟骨損傷是一種常見的臨床骨科疾病,影響所有年齡人群。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,術(shù)中關(guān)節(jié)鏡檢出軟骨損傷患病率為61%-63%[1],主要原因是炎癥、衰老、氧化應(yīng)激和創(chuàng)傷等[2]。不規(guī)范運動可能進一步增加軟骨病變[3],關(guān)節(jié)軟骨由于缺乏血管、神經(jīng)和淋巴組織,自我愈合的能力有限。當(dāng)軟骨損傷時,會引起關(guān)節(jié)腫脹和不適,并促進骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)的發(fā)展[4]。目前,治療軟骨損傷的技術(shù)主要有微骨折(microfracture,MF)、自體骨軟骨移植、同種異體骨軟骨移植、自體軟骨細胞植入和軟骨組織工程[5]。迄今為止,MF因相比于其他技術(shù)操作簡單,花費較低,醫(yī)源損傷較少等優(yōu)點已被認為是修復(fù)軟骨損傷的一線技術(shù)[6]。MF目前主要應(yīng)用于小于4 cm2的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等骨軟骨損傷,大量研究證實,MF術(shù)后主要產(chǎn)生纖維軟骨,其生物力學(xué)特征比透明軟骨差。有證據(jù)表明MF術(shù)后5年,大量的纖維軟骨被磨損,軟骨缺損再次出現(xiàn),進一步發(fā)展為骨關(guān)節(jié)炎[7]。大量研究發(fā)現(xiàn)[1,2],微骨折術(shù)后通過藥物可以改變關(guān)節(jié)腔微環(huán)境,從而促進透明軟骨再生。以下藥物有此作用,可為臨床提供指導(dǎo)。

1 氯沙坦

氯沙坦是一種批準(zhǔn)用于治療高血壓的藥物,主要通過腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)((renin-angiotensin-aldosterone system inhibitors,RAAS)發(fā)揮作用,RAAS系統(tǒng)是電解質(zhì)平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,也是降壓藥物的共同靶點。目前已識別的有兩種血管緊張素(angiotensin,AT)受體:AT1受體(AT1R)和AT2受體(AT2R)。這兩種受體不僅在血管系統(tǒng)中表達,也在軟骨組織中表達。最近研究發(fā)現(xiàn),RAAS系統(tǒng)在OA發(fā)生發(fā)展中的作用,AT1R和AT2R在軟骨細胞的肥大中起著重要作用[8]。據(jù)報道,骨性關(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和創(chuàng)傷后關(guān)節(jié)骨折患者的軟骨細胞均在蛋白水平上表達AT1R、AT2R的mRNA[9]。鑒于軟骨細胞中RAAS的證據(jù),用氯沙坦修復(fù)軟骨提供一種新策略。Kobayashi等[10]在肌肉損傷模型研究中發(fā)現(xiàn),通過口服氯沙坦阻斷TGF-β1減少損傷肌肉的纖維化;最近,該研究小組表明,口服氯沙坦通過阻斷TGF-β信號通路減少軟骨纖維化和增加透明軟骨的形成[11]。在此基礎(chǔ)上,Logan等[12]通過關(guān)節(jié)腔注射氯沙坦聯(lián)合微骨折治療兔骨軟骨缺損中發(fā)現(xiàn),氯沙坦可有效增強微骨折介導(dǎo)的軟骨修復(fù),該作用主要通過下調(diào)Smad2、Smad7和TAK-1的mRNA的表達促進透明軟骨形成,而沒有通過阻斷TGF-β1的表達,因此,關(guān)節(jié)腔注射氯沙坦增強微骨折治療軟骨缺損雖然表現(xiàn)出良好的療效,但具體機制尚不清楚。

2 貝伐珠單抗

關(guān)節(jié)軟骨的損傷伴隨著毛細血管、骨贅的形成和關(guān)節(jié)軟骨的鈣化。毛細血管的形成導(dǎo)致軟骨細胞凋亡,血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)已被證實在人骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)的滑膜細胞、巨噬細胞和軟骨細胞中表達。VEGF可以影響軟骨細胞的增殖、凋亡和代謝,導(dǎo)致金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)的釋放,以及降解軟骨基質(zhì)的分解代謝介質(zhì)?；谶@些結(jié)果,最近試圖阻斷VEGF來抗血管生成,以保持軟骨的穩(wěn)定性[13]。Chan等[14]報道,骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(bone morphogenetic protein 2,BMP2)和VEGF抑制劑的共傳遞可誘導(dǎo)骨骼干細胞在脂肪組織中分化為軟骨,同時Murphy等[15]報道,在骨關(guān)節(jié)炎條件下進行微骨折手術(shù)后,BMP2和可溶性VEGF受體的共傳遞,可成功誘導(dǎo)骨骼干細胞生成軟骨。貝伐珠是臨床治療中常用的VEGF抑制劑之一,因此,Utsunomiya等[11]通過微骨折術(shù)后在關(guān)節(jié)腔注射貝伐珠有效,不會對軟骨下骨產(chǎn)生影響,但具有抑制軟骨下骨中H型血管導(dǎo)致的骨囊腫[16]、并且顯著提高了兔模型微骨折術(shù)后透明軟骨的質(zhì)量和數(shù)量。另外研究表明,貝伐珠單抗的劑量并不影響軟骨形成,主要因為貝伐珠單抗與骨髓間充質(zhì)干細胞(bone mesenchymal stem cells,BMSc)誘導(dǎo)的軟骨細胞具有生物相容性,軟骨細胞外基質(zhì)的致密結(jié)構(gòu)可能阻礙貝伐珠單抗的細胞毒性[17]。貝伐珠單抗關(guān)節(jié)腔注射可顯著改善軟骨修復(fù),但目前研究表現(xiàn),關(guān)節(jié)腔中VEGF表達并未下降[11],猜測阻斷血管生成的主要作用是通過影響下游來中和關(guān)節(jié)間隙釋放的VEGF信號傳導(dǎo)(血管生成),并不影響VEGF在mRNA水平上的表達,因此,貝伐珠單抗注射關(guān)節(jié)腔增強微骨折的機制需要進一步研究。

3 透明質(zhì)酸

透明質(zhì)酸(hyaluronic Acid,HA)是一種屬于糖胺聚糖的多糖,由N-乙酰氨基葡萄糖和D-葡萄糖醛酸組成的雙糖單元組成。它是結(jié)締組織、神經(jīng)組織及上皮細胞的組成部分,也是細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)的重要組成部分[18]。它分為高/低分子量HA,其中高分子量HA通過一種被動機制允許組織水化,有助于滲透平衡,并穩(wěn)定ECM結(jié)構(gòu)。另一方面,HA與不同的受體結(jié)合蛋白相互作用,其分子量會影響受體的親和力或被細胞攝取;高分子量HA由于其潤滑特性而抑制血管生成活性并保護關(guān)節(jié)軟骨;低分子量HA具有血管生成活性,可誘導(dǎo)腫瘤進展或呈現(xiàn)促炎活性[19]。微骨折術(shù)后應(yīng)用透明質(zhì)酸可能有利于誘導(dǎo)關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)。

4 富血小板血漿(platelet rich plasma,PRP)

PRP是通過全血獲得的血小板濃縮物。PRP治療關(guān)節(jié)軟骨損傷的主要優(yōu)點是生產(chǎn)簡單、安全性高、不良反應(yīng)最小、無異物排斥反應(yīng)。其血小板濃度高于正常全血并含有多種生長因子,其中包括:血小板源性生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子、血管內(nèi)皮生長因子、成纖維細胞生長因子、胰島素樣生長因子、肝細胞生長因子、結(jié)締組織生長因子、表皮生長因子。PRP可以減少炎癥,改善血管生成,促進增殖和通過分泌大量細胞因子、趨化因子和生長因子,從而促進骨骼和軟骨損傷的愈合, 已廣泛應(yīng)用于骨科損傷相關(guān)疾病[20]。Riewruja等[21]發(fā)現(xiàn),體外PRP中的細胞因子水平明顯高于貧血小板血漿(platelet poor plasma,PPP)。除了這些細胞因子、生長因子外,血小板還可以分泌外泌體,這些外泌體與體內(nèi)外泌體相比有類似的作用,PRP外泌體對膝關(guān)節(jié)軟骨依然有保護作用[22]。Yang等[23]在新西蘭大白兔雙膝內(nèi)側(cè)髁上制備全層軟骨缺損,利用微骨折術(shù)后注射不同劑量的PRP,發(fā)現(xiàn)連續(xù)的PRP注射比單次注射沒有明顯的優(yōu)勢。Yasui等[24]在臨床中發(fā)現(xiàn),微骨折術(shù)后注射PRP能顯著提高軟骨損傷的療效。

5 小分子化合物

巖白菜素(Kartogenin,KGN)是一種小的生物活性分子,它可以促進MSCs的軟骨分化,通過結(jié)合細絲蛋白A,破壞其與轉(zhuǎn)錄因子核心結(jié)合因子β亞基(core-binding factor,CBFβ)的相互作用,并通過調(diào)節(jié)CBFβ-RUNX1轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)軟骨形成[25]。在人體發(fā)育過程中,KGN影響轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor β,TGF-β)信號通路Smad表達改善軟骨和滑膜的發(fā)育。Hou等[26]認為關(guān)節(jié)內(nèi)注射KGN可防止關(guān)節(jié)軟骨變性和異常軟骨下骨形成,主要通過在轉(zhuǎn)錄后水平下調(diào)miR-146a來上調(diào)NRF2的蛋白表達來促進了軟骨基質(zhì)的合成,抑制了IL-1β刺激軟骨細胞中基質(zhì)降解酶的表達?；谏鲜隼碚?Xu等[27]分別在微骨折術(shù)后每周關(guān)節(jié)內(nèi)注射M KGN,并與注射二甲亞砜對比,術(shù)后4周、12周時,國際軟骨修復(fù)學(xué)會(International Cartilage Repair Society,ICRS)評分和O’Driscoll評分結(jié)果顯示KGN組最好,說明關(guān)節(jié)內(nèi)注射KGN提高了纖維軟骨組織的質(zhì)量。

6 IGF-1

胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor,IGF-1)被認為是關(guān)節(jié)軟骨的主要合成代謝因子,能夠刺激蛋白多糖和膠原蛋白的合成[28];同時,IGF-1還可以促進MSCs的增殖和軟骨分化,主要通過激活I(lǐng)GF-1受體(IGF-1R)促進MSC軟骨細胞分化和軟骨細胞增殖。IGF-1R 激活后招募的主要底物是胰島素受體-底物 (IRS) 家庭成員 IRS-1 和 IRS-2。IRS被磷酸化,下游信號通路被激活,包括磷酸肌醇3激酶(PI3K)級聯(lián)和細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)。ERK是絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)級聯(lián)反應(yīng)的成員[29]。IGF-1通過IGF-1酪氨酸激酶受體激活PI3K并激活下游靶激酶Akt,從而激活哺乳動物雷帕霉素靶標(biāo)(mTOR),mTOR活化可誘導(dǎo)軟骨細胞增殖和分化[30]。Zhang等[31]在兔骨軟骨缺損模型研究中發(fā)現(xiàn),微骨折聯(lián)合聯(lián)合IGF-1療效優(yōu)于其他組。

7 rhfGF-18

成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor,FGFs)家族由23個結(jié)構(gòu)相關(guān)的多肽組成,它們調(diào)節(jié)細胞的生長和分化、組織修復(fù)和骨骼發(fā)育[32]。rhfGF-18是一種眾所周知的生長因子,在關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)過程中發(fā)揮合成代謝作用。之前的研究表明,FGF-18信號通過FGF受體促進軟骨形成, FGF-18對軟骨細胞的合成代謝作用包括刺激細胞增殖,增加基質(zhì)蛋白多糖和Ⅱ型膠原的沉積[33]。Power等[34]在綿羊軟骨缺損模型中,比較微骨折組于微骨折加rhfGF-18注射,發(fā)現(xiàn)微骨折聯(lián)合rhfGF-18在軟骨缺損模型中取得良好療效。

軟骨損傷的治療目前依然是國際難題,關(guān)節(jié)腔注射制劑可顯著提高微骨折治療療效,但目前氯沙坦、貝伐珠單抗關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射需要進行實驗驗證潛在機制及檢測全身藥物濃度,進一步驗證對全身影響;透明質(zhì)酸需要再次驗證分子量大小對軟骨缺損模型的療效,確定最佳分子量;PRP制劑含有大量生長因子,但不同年齡生長因子含量不盡相同,因此制作一種PRP仿生制劑將有效促進軟骨修復(fù);小分子化合物、IGF-1、rhfGF-18注射關(guān)節(jié)腔聯(lián)合微骨折,相比對照組雖有統(tǒng)計學(xué)差異,但對關(guān)節(jié)腔整體微環(huán)境中信號通路影響甚微。因此,在未來,需要針對關(guān)節(jié)腔整體微環(huán)境進行整體研究,對主要影響通路及因子進行整體仿生制劑來增強微骨折療效。