關節(jié)假體無菌松動發(fā)生機理的研究現(xiàn)狀△

曾健康，喬永杰，李嘉歡，周勝虎*

（1.甘肅中醫(yī)藥大學，甘肅蘭州 730030；2.中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九四〇醫(yī)院關節(jié)外科，甘肅蘭州 730050）

人工關節(jié)置換術（total joint arthroplasty,TJA）被認為是終末期關節(jié)炎患者最有效的治療方法，可為患者提供良好的關節(jié)形狀和功能的長期穩(wěn)定性。到2030 年，美國每年約有63.5 萬例全髖關節(jié)置換術和128 萬例全膝關節(jié)置換術，其中超過10%的患者因假體松動而需要行翻修手術［1］。TJA 經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，目前已在我國廣泛開展，成為多個關節(jié)終末期病變的治療“金標準”［2］。江勁濤等［3］研究顯示，在人工髖關節(jié)置換術后的10 年內(nèi)，假體松動的概率約為10%。TJA 置入物磨損產(chǎn)生的顆粒與周圍骨組織細胞相互作用，引起的慢性炎癥反應是造成無菌性松動（aseptic loosening,AL）的重要原因［4］。本文主要分析總結(jié)TJA 術后AL 的發(fā)生機制，以期降低發(fā)病率，延長假體使用年限，為后續(xù)臨床研究及應用提供參考。

1 生物學因素

1.1 磨損顆粒

TJA 術后失敗的主要原因是磨損顆粒，按照假體材料的不同，可將磨損顆粒分為超高分子量聚乙烯顆粒（ultra-high molecular weight polyethylene pipe, UH MWPE）、磷酸三鈣、骨水泥微粒、陶瓷顆粒以及金屬顆粒，包括鈦、鎳、鉻、鈷等［5］。假體微動及患者進行關節(jié)活動會產(chǎn)生大量磨損顆粒，顆粒的大小、數(shù)目、材質(zhì)、理化性質(zhì)和周圍細胞的狀態(tài)等與AL 的發(fā)生密切相關。成骨細胞和破骨細胞在調(diào)節(jié)人體骨組織代謝平衡過程中至關重要，二者相互協(xié)作使得機體骨組織達到動態(tài)平衡。關節(jié)假體周圍由于磨損顆粒的存在，使得破骨細胞作用增強而成骨細胞作用減弱，造成骨質(zhì)吸收增加而骨形成減少，這是造成術后AL 的主要原因［6］。破骨細胞的成熟和存在依賴獨立的途徑：核因子κB 受體激活劑（receptor activator of nuclear factor-kappa B,RANK）-核因子κB 受體激活劑配體（receptor activator of nuclear factor- kappa B ligand, RANKL） -骨保護素（osteoprotegerin, OPG）。RANKL 與RANK 結(jié)合能激活NF-κB 信號通路，最終導致破骨發(fā)生，OPG 是破骨形成的生理負性調(diào)節(jié)因子［7］。人工關節(jié)假體產(chǎn)生的磨損顆粒在骨-置入物界面釋放，引發(fā)一系列的生物反應，導致骨溶解和AL［8］。

1.1.1 磨損顆粒對巨噬細胞的影響

巨噬細胞的激活是磨損顆粒引起假體松動的主要因素，它們產(chǎn)生的細胞因子和趨化因子促進炎癥反應的發(fā)生，使破骨細胞數(shù)量增多，導致假體周圍骨溶解［9］。磨損顆?？墒菇?jīng)典激活的巨噬細胞（classically activated macrophages,M1）極化，抑制交替激活巨噬細胞（alternatively activated macrophages,M2）的形成，使M1 型巨噬細胞占據(jù)假體周圍，持續(xù)的M1 激活和炎癥級聯(lián)的刺激導致隨后的破骨細胞激活和骨溶解［10］。巨噬細胞吞噬磨損顆粒后能產(chǎn)生和釋放腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α,TNF-α）、白細胞介素-1（interleukin-1,IL-1）和IL-6 等與假體松動有關的促炎因子，引起RANKL 表達增加，OPG 表達下調(diào)，使RANKL/OPG 比值失調(diào)，引起骨代謝紊亂，導致假體松動［6，11］。NLRP3 炎癥體由1 個傳感器蛋白、1 個適配器和1 個效應蛋白酶組成［12］。磨損顆?？杉せ罹奘杉毎麅?nèi)NLRP3 信號通路，刺激促炎性細胞因子IL-1β、IL-6 和TNF-α 的產(chǎn)生導致骨吸收［13］。巨噬細胞活化后與中性粒細胞類似，產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species, ROS），它能作為第二信使激活NF-κB，促進破骨細胞分化［14］。這些變化共同創(chuàng)造了一個有利于骨吸收的微環(huán)境，導致骨代謝紊亂，引起假體松動。

1.1.2 磨損顆粒對破骨細胞的影響

破骨細胞的作用是將吸收的骨基質(zhì)以及骨礦物質(zhì)降解，以Ca2+的形式排到血液中。由于磨損微粒的刺激，假體周圍的細胞因子、趨化因子分泌增加，它們能激活NF-κB，導致破骨細胞功能增強，促進其分化成熟［15］。一方面，磨損顆?？芍苯佑绊懫乒羌毎绑w細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導；另一方面，磨損顆?？蓪е翿ANKL 和IL-6 炎癥因子水平升高，并激活破骨細胞生成［16］。OPG、RANK、RANKL 三者之間能相互作用，它們之間存在競爭關系。磨損顆?？烧T導局部輔助T 細胞17（helper T cells 17,Th17）遷移和定位于假體周圍組織，表達IL-17 和RANKL，可以增加局部炎癥反應，并通過誘導常駐成骨細胞產(chǎn)生RANKL［17］。RANKL 增多引起破骨細胞過度生成，導致骨溶解。

1.1.3 磨損顆粒對成骨細胞的影響

成骨細胞的主要作用是促進骨的形成和重建、促進鈣沉積到骨骼上，使骨組織密度增加，質(zhì)地變硬。磨損顆粒本身具有一定的毒性，成骨細胞能吞噬直徑＜5 mm 的磨損顆粒，對細胞的活力、增殖和功能有潛在的不利影響［18］。當磨損顆粒被成骨細胞吞噬后，其本身具有的毒性會導致成骨細胞死亡，釋放一系列炎癥物質(zhì)，引發(fā)炎癥反應，從而影響其他正常成骨細胞的功能和存活［19］。被磨損顆粒激活的巨噬細胞和破骨細胞能促進骨吸收，還能減弱成骨細胞的功能，使成骨作用減弱。磨損顆粒激活成骨細胞分泌促炎細胞因子TNF-α、IL-1β、巨噬細胞集落刺激因子（macrophage colony stimulating factor, M-CSF），導致破骨細胞發(fā)生過程中涉及的介質(zhì)表達增加，最終導致骨丟失［20］。磨損顆粒還可降低I 型膠原的合成能力，而I 型膠原是骨細胞外基質(zhì)的主要成分，I 型膠原減少導致成骨細胞凋亡增加，成骨作用減弱。

1.1.4 磨損顆粒對成纖維細胞的影響

一定數(shù)量的成纖維細胞存在于松動的假體周圍，成纖維細胞可以促進破骨細胞分化成熟，并維持其具有一定的活性，導致骨溶解加速。磨損顆粒已被證明可以通過Toll 樣受體（toll-like receptors, TLRs）-MyD88-RANKL 途徑誘導成纖維細胞RANKL 的表達增加，還能產(chǎn)生與Wnt/β-catenin 信號通路的拮抗劑硬化蛋白，抑制骨祖細胞的成骨能力，從而加劇骨丟失，發(fā)揮溶骨效應［21］。成纖維細胞還能直接吞噬直徑很小的磨損顆粒，產(chǎn)生并釋放組織蛋白酶K、大量的溶骨性介質(zhì)以及炎性因子，并且可能間接和直接地促進假體周圍膠原溶解和骨破壞。

1.1.5 磨損顆粒對其他細胞的影響

越來越多的證據(jù)表明假體失敗與磨損顆粒相關的金屬超敏反應有關。樹突狀細胞和T 淋巴細胞與磨損顆粒的相互作用尚不完全清楚，但現(xiàn)有信息表明，其可能在種植體松動中有重要的意義。樹突狀細胞在主要組織相容性復合體（major histocompatibility complex,MHC）I 類和MHC II 類中能呈現(xiàn)抗原，以激活CD8+細胞毒性T 細胞和CD4+輔助性T 細胞。CD4+T細胞主要有兩種功能：釋放炎性細胞因子和激活CD8+T 細胞及B 細胞［1］?；罨腃D4+T 細胞的炎癥因子分泌包括γ-干擾素（interferon-γ, INF-γ）和TNF-α，它們促進M1 極化和巨噬細胞的活性。與納米級UHMWPE 碎片接觸的樹突狀細胞分泌炎性細胞因子IL-6 和IL-1β，還增加了自然殺傷T 細胞產(chǎn)生的INF-γ，其使巨噬細胞極化為M1 表型并增加了TNF-α 的產(chǎn)生，促進巨噬細胞形成破骨細胞［22］。越來越多的證據(jù)表明，淋巴細胞在AL 中發(fā)揮作用，特別是與超敏反應有關［23］。磨損顆粒破壞適應性免疫反應的樹突狀細胞和T 淋巴細胞，這種破壞加劇了與AL 相關的炎癥通路，導致慢性炎癥和更大的溶骨吸收。

1.2 趨化因子

趨化因子是一類高度保守的蛋白家族，可以促進巨噬細胞和破骨細胞向種植體周圍的遷移、細胞凋亡、血管形成、膠原蛋白合成以及組織再塑等過程，這些過程共同導致AL 的發(fā)生。J?msen 等［24］研究發(fā)現(xiàn)，無菌界面組織的趨化因子IL-8、趨化因子CC 基元配體2 [chemokine (C-C motif) ligand 2, CCL2]、CCL3、CCL4、趨化因子CXC 基元配體9[chemokine(C-X-C motif)ligand 9,CXCL9]、CXCL10 和CCL22 顯著上調(diào)。這些因素可能在活躍的單核巨噬細胞向界面組織的募集以及破骨細胞和異物巨細胞的形成中發(fā)揮作用。此外，CXCL8 表達升高與翻修的早期時間有關［25］。趨化因子、細胞因子和其他介質(zhì)的持續(xù)釋放形成促進破骨細胞被刺激的炎癥微環(huán)境，特別是RANKL 的刺激，這些過程都有助于骨吸收，最終導致種植體的松動［26］。

1.3 Toll 樣受體（TLRs）

TLRs 的促炎信號可能有助于磨損顆粒引起AL的生物學反應。TLRs 介導的信號轉(zhuǎn)導主要受IL-1 受體相關激酶M （IL-1 receptor associated kinase-M,IRAK-M）負向調(diào)控，受IRAK-4 正向調(diào)控。有研究表明，在磨損顆粒刺激下，巨噬細胞IRAK-4 增加，IRAK-4 促進促炎性細胞因子的產(chǎn)生，提示IRAK-4在局部炎癥反應中也起重要作用，并參與假體的松動［27］。由此可以得出TLRs 介導的信號轉(zhuǎn)導參與了AL 的發(fā)生。

1.4 細菌病原體相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns,PAMPs）和細菌副產(chǎn)物

PAMPs 也參與AL 的發(fā)生。AL 中PAMPs 的潛在來源包括制造過程中植入物的污染、口腔和胃腸道的細菌移位以及亞臨床細菌生物膜。細菌副產(chǎn)物可能會導致無菌性假體的穩(wěn)定性減弱。血液循環(huán)中的細菌殘留物可能會加劇由無菌假體磨損顆粒引起的炎癥，即使沒有出現(xiàn)臨床感染的情況。多項研究表明，當內(nèi)毒素或其他細菌特異性蛋白添加到假體顆粒中時，碎片誘導的炎癥反應會更快、更強烈［12，28］。危險相關分子模式（danger-associated molecular patterns, DAMPs）是壞死或應激細胞的產(chǎn)物，由于長期缺血和/或假體顆粒的毒性作用產(chǎn)生。DAMPs 可以通過表面細胞或細胞內(nèi)受體成為假體周圍炎癥的強大刺激，從而引起假體松動［29］。

1.5 自噬

自噬是一個細胞清除過程，通過自噬相關蛋白的協(xié)同作用，降解和回收受損的大分子和細胞器。自噬的作用一直存在爭議，目前尚無明確的結(jié)論。但不可否認的是，磨損顆?？梢哉T導自噬。越來越多的證據(jù)證實，自噬在骨代謝中發(fā)揮著關鍵作用，異常的自噬會破壞骨代謝的平衡，磨損顆粒通過影響自噬來加速AL 的過程［30］。一些自噬蛋白參與破骨細胞的骨吸收，作為骨重塑的關鍵調(diào)節(jié)因子，骨細胞的存活和增殖也高度依賴自噬作用。自噬可能通過以下幾個方面來引發(fā)假體松動。一方面，自噬似乎是由與AL 有關的3 種主要細胞類型（成骨細胞、破骨細胞和巨噬細胞）中磨損碎片的存在觸發(fā)的［31］。另一方面，自噬介導促炎蛋白如IL-1b、IL-6、IL-8 的分泌，這些促炎蛋白與AL 的發(fā)生有關［18］。在假體周圍組織中發(fā)現(xiàn)的所有這些炎癥蛋白都能刺激破骨細胞生成［32］。然而，自噬也可以抑制成纖維細胞釋放RANKL 或降低成骨細胞表達IFN-β，從而阻礙破骨細胞的激活，表明自噬在AL 中存在一定的保護作用［33］。未來對于自噬在AL 中的具體作用機制還有待進一步研究。

2 機械性因素

2.1 骨水泥和種植體設計

骨水泥與種植體的設計也與假體AL 的發(fā)生有關。最常報道與骨水泥-種植體界面處早期AL 相關的因素是骨水泥，例如骨水泥的黏度和骨水泥的使用方法，接受低黏度骨水泥翻修的概率較接受高黏度水泥低；另一個主要報道的相關因素與種植體設計有關；最不常報道的相關因素是患者的體重指數(shù)（body mass index, BMI）特征和年齡因素［34］。此外，脛骨構件的幾何形狀，如柄長、樁或龍骨，會影響脛骨構件的剛度、界面力和置入物的微運動。人的體力活動水平也會影響假體使用壽命，因為較高的體力活動水平會縮短植入物的壽命。Garneau 等［35］發(fā)現(xiàn)，重度肥胖患者（BMI＞40 kg/m2）在一期TKA 骨水泥術后早期AL 的風險顯著增加。關節(jié)假體安裝的位置不當也會增加AL 的發(fā)生概率。陳檢文等［36］通過研究136例初次全髖關節(jié)置換術患者發(fā)現(xiàn)，高齡、偏心距異常、外展角過大是AL 發(fā)生的獨立危險因素。因此術中安全范圍內(nèi)的外展角及偏心距，能減少AL 的發(fā)生。

2.2 下肢力線

下肢力線是指從股骨頭中心至踝關節(jié)中心的力線，此線經(jīng)過膝關節(jié)中心或者稍偏向內(nèi)側(cè)。目前，全膝關節(jié)置換術后中性力線仍然是取得較好臨床療效的金標準之一［37］。作為全膝關節(jié)置換術后影響臨床療效及假體失敗率高低的重要因素，下肢力線歷來都是人們關注的焦點。全膝關節(jié)置換術后如能恢復中性力線，使內(nèi)外側(cè)室應力分布均衡，從而延長假體的使用年限［38］。合適的假體置入角度至關重要，若置于屈曲位，將使伸膝過程中一部分踝間前緣與假體中央立柱部位發(fā)生直接碰撞，造成較大接觸應力，它不僅加速了假體的磨損，磨損顆粒一旦向關節(jié)腔內(nèi)播散，就會使假體周圍發(fā)生骨溶解并觸發(fā)假體松動［39］。

2.3 應力遮擋效應

應力遮擋是指由假體材質(zhì)剛度不一致而引起的應力模式的改變，與生理條件有關，剛度高則假體的承載應力較多，剛度低則假體的承載應力較少。應力遮擋可引起骨質(zhì)丟失造成AL，骨代謝細胞能通過感受合理的力學刺激來調(diào)節(jié)骨的生長和吸收。生理范圍內(nèi)的力學刺激能增加成骨細胞的功能，促進成骨作用。Coughlin 等［40］研究表明，適宜的低強度刺激能促進成骨，且其對成骨的促進作用與骨髓間充質(zhì)干細胞表面的初級纖毛密切相關。假體置入后產(chǎn)生的應力遮擋使骨組織力學環(huán)境被破壞，感受不到適宜的力學刺激，導致成骨細胞生成減少，引發(fā)假體松動［41］。

3 小結(jié)與展望

TJA 近年來發(fā)展迅速，在全世界范圍內(nèi)被廣泛應用，能顯著緩解癥狀，改善患者生活質(zhì)量。AL 是影響患者預后的主要原因之一，其發(fā)生機制復雜。包括磨損顆粒、自噬、應力遮擋等，其中最主要的原因是磨損顆粒誘導的骨代謝異常引起骨質(zhì)丟失。了解假體松動的發(fā)生機制為假體松動的預防和治療提供了一定參考。針對AL 相關發(fā)病機制，采取相應預防控制措施，以此來降低其發(fā)生率，減少術后翻修次數(shù)，延長假體使用壽命，改善患者預后。目前，AL 發(fā)生相關的信號通路和趨化因子機制還有待完善，藥物治療AL 的效果也不盡如人意，相信隨著研究的深入，對假體材料的不斷改進，AL 將最終被克服，TJA 將會有更長遠的發(fā)展。