关节软骨的生物愈合与再生的研究现状

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[关键词] 关节软骨 愈合 再生

孙　康*　王立德*　张羽飞*   大连医科大学第一附属医院骨科 116011

　　目前关节软骨的生物愈合与再生的研究成为了关节外科基础与临床的研究热点。本文就当代促进关节软骨愈合与再生的一些措施与存在的问题予以综述。

1　调动软骨细胞内在愈合潜能促进软骨愈合

　　1.1 软骨下骨钻孔、磨蚀或微骨折 软骨细胞生存于一种无血运的环境，软骨表层的损伤通常不能愈合。借助关节表面软骨至软骨下骨的钻孔、磨蚀或微骨折来**软骨愈合的目的旨在从骨髓中获得多潜能的骨髓干细胞及生长因子以促进软骨细胞的分化和软骨缺损的修复。但这些方法是否确实有效尚有争议。Fridman等[1]用磨蚀术治疗110例膝关节骨关节炎，随访1年，有效率60％。认为年龄50岁以下疗效较好。而Rand[2]报道了28例，随访3．8年，无一例改善。其中3年后行关节置换占50％。Steadman提倡用微骨折技术治疗软骨损伤[3]。它是通过将钻或克氏针打孔改为手锥钻孔以造成局部软骨及软骨下骨小梁的微骨折而非骨的破坏，由此而诱导骨愈合反应。认为手锥操作能避免骨的热损伤坏死，并易于操作。但目前尚无这两方面疗效的比较研究。
　　1．2 被动关节活动(Continuous passive motion，CPM) Salte最早应用CPM来促进损伤的关节软骨的恢复。他最初的研究表明CPM促进青春期和成年期骨缺损的透明软骨的愈合率分别为66％和44％；而石膏制动和任意活动组软骨缺损的愈合率不足10％。另外，CPM有利于骨膜移植后的软骨再生[4]。如今虽然CPM作为一种促进软骨愈合的辅助手段已被普遍接受，但缺损范围大于3mm直径时效果不明显。
　　1．3 电** 电**促进软骨愈合远非促进骨愈合那样得到人们广泛的关注。Lippiell等应用脉冲直流电**证明可轻度地促进兔膝关节软骨缺损的愈合，其中4h／d收效最大[5]。但电**促进软骨愈合的作用尚不清楚，有赖于进一步研究。
　　1．4 激光 激光在关节内的应用大部分只限于其对软骨损伤的研究，仅部分涉及了激光对软骨修复的影响，且研究结果莫衷一是。
　　1．5 药物　包括全身、关节腔内或局部用药。到目前为止尚未发现某种药物通过全身应用后可以达到治疗广泛性骨关节炎的目的。关节内注射的药物可分为三种基本类型；固醇类，透明质酸和生长因子。现公认固醇类激素能影响软骨的正常生理功能而导致软骨萎缩。作为一种粘性补充剂，透明质酸则得到了充分地认可。它的作用机理不仅限于简短的润滑作用，可能与其直接的生物化学作用有关[6]。生长因子诸如转移生长因子B1(TGF—B1)，胰岛素生长因子—1(IGF—1)和BAPs在试管中有软骨形成的作用。在***，Cuevas等[7]用渗透泵将硪性纤维母细胞生长因子(BFGF)注入兔膝关节人为造成的2mm软骨缺损区显示对软骨的修复早期有**作用。但关节内注射生长因子所引起的副作用如骨赘的形成可能会限制该技术的应用。有人发现关节内注射TGF—B1**形成的骨赘无论从形态学还是部位均与骨关节炎的骨赘相似[8]。TGF—B1单次注射可**软骨内蛋白多糖的合成与量持续增加，而反复注射则可诱发广泛的滑膜炎和滑膜增生[8]。
　　为了使生长因子或其它生物活性剂能有效地在局部发挥生物效能，较关节内注射更为有效的方法是利用载体植入[12]。这种设想据初步的研究已显示出很大的发展潜力。Thanaka等[9]利用同种异体去矿骨作为载体植入青春期兔膝关节4mm骨软骨缺损区，观察4—30周，其软骨和软骨下的愈合优于对照组。Billings等[10]的实验也证实该技术可**软骨下骨的长入并提供软骨愈合面。但由于载体内激素或生物活性剂溶解和吸收过快，如何控制激素或生物活性剂在整个软骨愈合过程中的溶解和吸收是未来一段时间研究的重点之一。
　　1．6 支架与复合材料修复关节软骨 构成支架的材料有非吸收材料如碳纤维、涤伦、铁氟龙及多空隙金属栓；可吸收材料有生物的聚合物或共聚物如聚羟基已酸；聚乳酸；纤维蛋白和胶原等。目前，尚未证实非吸收材料的支架能成功地恢复关节软骨。而可吸收的聚合物支架，尤其作为软骨细胞和生长因子的载体有望成为修复软骨缺损的有效方法。70年代中期，Chvapil等曾应用胶原海绵技术促进软骨修复。后来，Wakitani等创用胶原凝胶作为软骨细胞载体修复软骨缺损[11]。为了便于移植和使移植物能与缺损区更好地固定，Kawamura等[12]将软骨细胞置于胶原凝胶生物基质中培养2周，获得硬化的胶原凝胶软骨细胞复合物，移植于软骨缺损区，取得了满意的效果。Freed等将聚羟基已酸种植于软骨缺损后发现软骨愈合达及软骨下骨，但无对照比较[13]。Oky等发现钛纤维支架涂覆聚已稀醇凝胶合成复合物后其与软骨下骨的结合优于单纯钛或铝纤维支架[14]。当前，人们正从事向软骨缺损区的软骨细胞和其垂直结构的软骨下骨的特定靶细胞提供或定时提供不同的生长激素以促进软骨修复的生物与技术的研究。Sellers等应用浸泡5mg重组的人类Bmp2胶原海绵治疗骨软骨缺损获得了成功[15]。该方法加速了新生软骨的生成和明显改善了关节软骨覆盖面的组织形态学。24周时愈合软骨的厚度达邻近正常软骨厚度的70％，并在新生软骨与其下方的软骨下骨之间通常形成新的愈合潮痕(Tidemark)。也有人提出用胶原基质和共聚物制成的含有生长因子和软骨细胞的II期支架技术治疗关节软骨缺损，目的是分别促进软骨和软骨下骨的愈合。利用支架或基质负载生物活性物质和移植的软骨细胞重建关节软骨是近年所谓组织工程恢复关节软骨的基础。

2 促进软骨细胞的再生与修复
　　虽然软骨自身再生修复能力有限，但人们仍希望通过有软骨形成能力的细胞或组织移植修复关节软骨，即所谓的生物再表面化。
　　2．1 软骨细胞与有软骨形成潜能的整块组织移植
　　2．1．1 自体骨膜移植 人体应用单纯的骨膜移植已有10余年历史。初期人们对这一方法表现出了浓厚的兴趣，但随着研究的增多，该方法的弊端也逐渐地显现出来。最近，Mad—sen等[16]报道了膝关节剥脱性骨软骨炎骨膜移植18例，其中8例(44％)术后8年中分别由于活动受限、滑膜炎或膜内骨化的骨赘形成而再次手术；仅2例疼痛缓解。认为该方法疼痛缓解率差，再手术率高，不宜采用。
　　2．1．2 自体软骨膜移植 1972年由Skoog等首次应用。Boouwmeester等[17]用纤维蛋白胶粘贴软骨膜治疗88例膝关节软骨缺损，平均随访4年，良好38％；可8％；差55％。疗效差与移植物过度生长、钙化或术前存在骨关节炎有关。Vachon等[18]比较了骨膜与软骨膜移植的疗效发现：游离自体骨膜移植较软骨膜移植软骨形成明显增多。骨膜移植可见软骨形成为5／6；而软骨膜移植软骨形成则为1／6。另外，骨膜较软骨膜移植获取量大，适应于不同的大小、形态及深度的缺损，且骨膜取材方便，不需另作切口，并发症少。但随着近年生物组织工程学的发展，单纯的骨膜或软骨膜移植均趋于淘汰。
　　2．1．3 应用软骨先质细胞移植 软骨先质细胞通常指具有多潜能分化的间质细胞。骨髓、骨膜或软骨膜可提供多潜能间质细胞的来源。与已分化的软骨细胞移植相比，间质细胞在不同的条件下既可生成骨，又能生成关节软骨，对累及软骨下骨的软骨缺损可考虑应用未分化软骨先质细胞移植。未分化软骨先质细胞移植同样需要支架或载体如：聚乳酸、聚羟基已酸、胶原及纤维蛋白等。虽然这一方法目前所能生成的软骨多为纤维软骨，但动物实验已展现出良好发展前景[19]。
　　2.1.4 自体软骨细胞移植(ACT) 1987首次由瑞典人报道。美国1995年用于临床。是首批得到美国FDA批准用于临床的骨科生物技术之一。在瑞典截止2000年接受ACT治疗的病人达800余例，其中200余例随访2年以上。方法是通过软骨活检取材后单层培养扩增，扩增后的细胞混悬于液体媒介中，然后置于软骨的缺损区，表面用骨膜移植覆盖。在最近美国第67届矫形外科年会上，Peterson等[20]报道了1987—1996年ACT治疗219例病人，其中股骨髁57例；髌骨32例；滑车125例；多发缺损53例；剥脱性骨软骨炎32例；股骨髁软骨缺损同时行前交叉韧带重建27例，并对术后2年和5－10年随访结果进行了比较。213例采用Gincin—nati膝关节功能评分；46例行二次关节镜检；19例活检；14例行电子机械压痕探针检测。结果：膝关节功能评分优良率单纯股骨髁软骨缺损90％；股骨髁软骨缺损同时行前交叉韧带重建74％；剥脱性骨软骨炎84％；多发缺损75％；髌骨69％；滑车58％。31例2年时随访优良的病人经5—10年(平均7．5年)随访优良率仍达96％；且组织学显示透明软骨修复占74％，与疗效呈正相关。作者认为：ACT治疗软骨缺损的新生组织在组织学与机械力学特征上与透明软骨相似，术后总优良率在75％以上。来自国际多中心ACT的研究结果与之相似，总有效率达74％－77％，其中股骨髁软骨缺损效果最好，有效率达85％[21]。两份研究均强调ACT的疗效与软骨缺损的部位有关：股骨髁软骨缺损疗效最好，髌骨和滑车软骨损伤疗效最差。故应严格掌握适应证。同时注意纠正髌骨软骨损伤合并的髌骨排列紊乱[20，21]。

3 骨软骨移植
　　3．1 玛赛克骨软骨成型与自体骨软骨移植 玛赛克骨软骨成型指将至小一块柱状自体骨软骨拴从膝关节相对非负重区取出后移植于关节负重区骨软骨缺损区。优势在于直接将有活力的软骨细胞连同基质及其软骨下骨一起移植于软骨缺损区。它需要多个骨软骨拴平行于关节面插入骨软骨缺损区来修复软骨和软骨下骨，恢复关节面。取材部位通常在髌骨沟的边缘或股骨髁的后部。虽然这种手术需要一定的技术和条件，但通常可以在关节镜下完成。缺点是取材部位骨软骨来源有限，取材后局部会发生结构的变化，甚至造成骨赘增生，关节面对合不良等。Laprell等[22]报道了35例，其中29例得以随访。根据ICRS评定标准：12例恢复正常；14例接近正常；仅3例由于伴有膝内外翻畸形而疗效不满意；无1例术后严重异常，大部分病人提高了其膝关节的活动机能。然而，根据Kellgren—Lawrence X线影像评定标准，12／99例骨关节影像改变增加约I°。Quterbridge等[23]应用自体髌骨外侧关节面骨软骨移植治疗16例于股骨髁负重面大面积骨软骨缺损，术后平均随访7．6年，Cincinnati积分由术前平均37分至86分，所有病人膝关节功能得以改善，基本恢复正常生活；而关节退变的X线影像积分由术前1．8分至术后7．6分(P＜0．01)。说明骨软骨移植虽然有效，但有诱发和增加骨关节炎的危险。
　　3．2 同种异体骨软骨移植 为解决自体骨软骨来源的不足，许多学者应用新鲜的同种异体骨软骨移植治疗创伤后膝关节孤立的关节软骨缺损或剥脱性骨软骨炎。Ghazavi等[24]应用同种异体骨软骨移植治疗膝关节创伤性骨软骨缺损126例，平均随访7．5年，成功率85％。骨软骨移植存活情况为术后5年存活95％；10年71％；20年66％。新鲜的同种异体的软骨细胞在冰箱中保存24—48h[25]及移植后最长12年仍存活[25，26，27]。Jockson实验发现虽然含有活软骨细胞的新鲜软骨移植物移植后可存活1年以上，但其活力术后3周即减低[28]。对那些有症状且不适合应用诱导软骨愈合或再生的方法治疗或治疗失败的关节软骨缺损者，采用小块同种异体骨软骨移植不失为良好的选择。