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编号:10292228
关节软骨缺损的治疗进展
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     作者:池雷霆

    单位:池雷霆(华西医科大学附属第一医院骨科,四川 成都 610041)

    关键词:骨关节炎; 关节成形术;组织工程;

    临床骨科杂志000344 裴福兴 审校

    综述文献

    【中图分类号】 R684 【文献标识码】 A

    【文章编号】 1008-0287(2000)03-0230-03

    Advances in repair of articular cartilage defect

    Chi Leiting, Pei Fuxing
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    【Key words】 osteo arthritis; arthroplasty; tissue engineering; review literature

    完整的关节软骨是关节行使正常功能的基础,但关节软骨极其脆弱且自身修复能力低下,病损关节往往表现为不可扼制的逐步恶化,最终导致骨关节炎(osteoarthritis, OA)的发生和关节功能的丧失,这种情况在负重的髋、膝等大关节尤其常见。本文着重介绍国内外现有关节软骨缺损的治疗方法、疗效评价及相关研究动态。

    1 关节镜灌洗术和关节清理术

    这是一种最基本的传统治疗手段。Jackson等对膝关节疾患患者行诊断性关节镜检术时发现,通过关节腔灌洗,45%的患者疼痛症状明显缓解,疗效可维持3.5年,只有20%的患者无效;而灌洗术结合关节清理术可提高疗效,在随访的137例患者中,有效率为88%,68%的患者疗效维持达3年之久,他提出关节灌洗术之所以有效是因为冲掉了病变关节内滑膜产生的炎性介质及关节腔内疏松的软骨碎片。Hubbard〔1〕对76个膝的关节镜灌洗术和清理术进行了随机前瞻性研究,软骨缺损均为单极Outerbridge Ⅲ~Ⅳ级(影像学无异常表现),平均随访4.5年,通过改良Lysholm评分法,清理术组28膝症状缓解达1年,21膝达5年,而灌洗术组有5膝症状缓解达1年,4膝达5年,清理术组疗效明显占优,疗效维持时间更长,而灌洗术只能暂时缓解局部压痛及夜间痛。
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    2 骨髓刺激技术(Marrow-stimulation Techniques)

    其基本原理是利用某些生物或机械因素使骨髓中的原始干细胞分化为软骨和骨组织。操作时软骨下骨被穿透并达血管生成区,这样就刺激了含有多能干细胞的纤维蛋白凝块〔2〕。纤维蛋白凝块经过分化并再塑型,形成纤维软骨性的修复组织。由于这种修复组织脆性大,不耐用,故常结合避免病变区域过度负重的手术措施,如非负荷截骨术等。

    2.1 磨削关节成形术(Abrasion Arthroplasty) 原理为清理关节缺损达正常组织边缘,使新鲜胶原与暴露的纤维蛋白凝块结合。软骨下骨表面被暴露且被穿透,放松止血带后引起该区域突然灌注,使软骨下骨表面形成血凝块。Johnson等〔3〕对399例患者进行了关节镜下清理及磨削关节成形术,随访2年,仅12%患者术后症状消失,66%患者仍有关节痛,44%患者需服止痛药,24%患者丧失关节活动。关节镜检显示修复组织在术后4~6个月为纤维软骨,少数患者修复组织内含Ⅱ型胶原,透明软骨含量在术后2年内有所增加。
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    2.2 软骨下骨钻孔术(Subchondral Drilling) 通过在软骨缺损区钻孔使软骨下骨再血管化并形成纤维蛋白凝块。修复组织被证实含有透明和纤维软骨两种成分。Tippet等〔4〕通过该术式并结合高位胫骨外翻截骨术治疗135例,平均随访62个月,疗效优良率为86.2%,可和差各占6.9%,效果优于单纯截骨术。

    2.3 微骨折术(Microfracture) 它是骨髓刺激技术中的一种,该技术通过轻柔磨削软骨下骨及邻近病变软骨直达健康部分,然后钻开软骨下骨使缺损区与骨髓腔相通,从而在局部形成血凝块。Rodrigo等〔5〕通过关节镜检评估了采用微骨折术结合术后持续被动活动(continuous passive motion, CPM)的疗效,随访全部77例患者, CPM治疗组仅15%的患者无效,非CPM组则45%的患者无效,两组疗效有统计学意义(P=0.003)。他认为采用软骨修复技术的患者术后使用CPM不仅可加强缺损区的“充填”,还能提高修复组织的质量。
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    3 高位胫骨或股骨远端截骨术——纠正易患因素

    因肢体畸形对于关节面局灶退变性损害是一种明显的易患因素,故常采用非负荷截骨术来纠正下肢的内翻或外翻畸形。Insall等报道了高位胫骨截骨术对膝内翻关节病患者的长期随访结果,术后2年优良率为97%,术后5年为85%,术后8.9年为63%,术后9年仍有37%的患者无症状出现。股骨远端截骨术对膝外翻畸形也会产生良好效果。Mc Dermott等采用该术式治疗了一组患者,平均随访4年,用膝关节等级评分标准(HSS)进行评分,优良率为92%,平均分比术前提高28分。

    4 用自体或异体组织进行生物性修复的方法

    4.1 软骨膜和骨膜移植 自体软骨膜和骨膜移植能够修复关节软骨缺损并能形成正常透明软骨这一事实已为众多研究证实〔6,7〕

    4.1.1 软骨膜移植 首次采用软骨膜移植修复膝软骨缺损的临床研究由Homminga等〔6〕完成。25例患者30个有症状软骨缺损部位接受了自体软骨膜移植(取自肋骨)。术后10个月全部患者接受了关节镜检术,30个手术区域有27个完全充满类似软骨的组织。术前平均HSS膝评分为73分,术后1年为90分。25例患者中18例症状完全消失并恢复原先的工作和活动。术后5~10年,30处移植物中有20处发生软骨内骨化,患者出现疼痛症状。在10年后的随访中,60%患者因软骨内骨化而致症状复发。因软骨膜主要取自邻近胸骨的肋软骨,故软骨膜的大小直接受到肋软骨大小的限制,使多处或大的软骨缺损修复面临困难。另外,软骨内骨化及软骨下骨与修复性软骨的分层现象也降低了软骨膜修复的远期效果。
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    4.1.2 骨膜移植 Lorentzon〔8〕报道了18例患者采用钻孔及髌骨上骨膜移植治疗0.75~16 cm2的软骨缺损,平均随访27个月,优14例,良4例,随机选择5例患者行关节镜检证实有正常透明软骨形成。他认为术后采用CPM及进行保护性运动是取得良好效果的关键。ODriscoll〔9〕报道23例患者接受骨膜移植,术后随访15例中9例效果满意,6例移植失败。

    4.2 自体软骨细胞种植术 Grande等1989年在动物实验中发现,将体外培养的自体软骨细胞种植于关节软骨缺损处并用骨膜片固定,82%的缺损有新生软骨充填,而对照组仅18%的缺损有软骨充填。新生软骨的放射自显影显示标记细胞与修复基质相混合,因此提出种植细胞在软骨的修复中起作用。基于上述及其它实验研究结果, Brittberg等〔10〕采用自体软骨细胞种植术(autologous chondrocyte implantatioin, ACI)治疗膝关节软骨缺损患者23例,缺损大小1.6~6.5 cm2,均有症状。在股骨髁处种植软骨细胞的16例患者随访2年,14例疗效优良,2例差。在髌骨处种植的7例患者随访36个月,2例效果优良,3例可,2例差,经关节镜活检发现疗效好的患者缺损处有正常透明软骨形成。他提出ACI能够修复关节软骨缺损是基于下述3种机制:一是种植的软骨细胞在缺损处聚集并产生新的软骨基质,骨膜片对水溶液起封闭作用,隔离软骨细胞并使之分裂、分化,充填缺损处;二是骨膜内有生长因子促进种植的软骨细胞分裂;三是移植物和骨膜片刺激了邻近的软骨细胞,使之进入缺损处并进行修复。另外,固定用骨膜片还起到半透膜作用,允许从滑液来的营养物质营养种植的软骨细胞。
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    4.3 自体或异体关节软骨移植 适用于缺损深度达软骨下骨及较大软骨缺损的治疗〔11〕。骨软骨移植的优点在于它能将完整的正常关节软骨移植于关节缺损处,提供完整的关节软骨基质和有活力的软骨细胞,恢复关节的外形,这样对于有关节软骨缺损或关节畸形的患者,可减轻关节软骨的损害程度并缓解疼痛。疼痛缓解的机制还不十分清楚,可能是因用无神经支配的移植物取代了有神经支配的软骨下骨部分。

    Outerbridge等〔11〕用自体髌骨骨软骨移植治疗10例股骨髁软骨缺损的患者,平均随访6.5年,全部患者症状均得到缓解,膝关节功能明显改善。自体骨软骨移植因取材来源有限而限制了该方法的应用,且移植软骨与邻近软骨能否良好愈合仍值得注意。异体骨软骨移植材料获得相对较易且可预制成任意形状和大小,因此比自体移植更常用。临床资料显示,新鲜或冷冻异体骨软骨移植可缓解关节疼痛、改善关节功能,移植物的骨性部分还可与宿主骨相融合〔12〕。Gross〔13〕采用126个新鲜异体骨软骨移植治疗123例创伤性膝关节软骨缺损患者,5年有效率为95%,10年为71%,20年为66%。他们提出导致移植失败的高危因素为患者年龄在50岁以上,关节有双极性损害及关节畸形等。另一组学者〔14〕报道了冷冻与新鲜异体骨软骨移植的比较结果,强调采用冷冻移植物可择期完成关节重建手术,并且有充裕的时间进行多项检测,防止供者可能带来的病毒或细菌感染,且冷冻移植可降低免疫原性。总之,现有研究已证实,异体骨软骨移植能有效治疗青少年和青壮年局部创伤后软骨缺损或退行性关节炎、剥脱性骨软骨炎以及缺血性股骨髁坏死。但是,因花费较大,新鲜软骨的供应及如何防止细菌和病毒性疾病的传播等问题限制了异体骨软骨移植的使用,冷冻移植则无法保证软骨细胞的活性。
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    5 人工基质的应用

    采用生长因子或细胞修复关节软骨缺损时,人工基质可起到传递和稳定作用,还可刺激宿主细胞的生长、软骨基质的形成,并将新生细胞和基质连接到宿主组织。常用的人工基质包括骨和软骨基质、胶原、透明质酸、纤维素、碳纤维、羟磷灰石、多孔聚乳酸、聚四氟乙烯、聚酯和其它合成聚合物,它们均能刺激关节面的修复〔15〕。Muckle等〔16〕用碳纤维垫治疗大鼠和兔的软骨缺损,发现缺损处最终被光滑的软骨面替代,坚韧的纤维组织充填于垫内。采用同样方法治疗47例膝关节软骨缺损患者,术后3年经临床和关节镜检评估,36例效果满意(有效率77%)。Brittberg等〔17〕用碳纤维垫治疗36例关节软骨缺损患者,术后平均随访4年,30例效果优良。不同人工材料的比较,选用何种材料为优,以及某些材料是否会引起滑膜炎等问题还有待研究。

    6 组织工程化软骨的研究进展
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    本世纪90年代以来,软骨组织工程的出现使人类可以通过人工手段在体内外建造出透明软骨,为关节软骨缺损的修复提供了一条颇具前途的方法。软骨组织工程学是工程学与生物医学尤其是细胞生物学相结合的边缘科学〔18〕,它涉及细胞、支架材料和包括多种生长因子在内的发育环境3种基本要素。1988年Vacanti等〔19〕将聚羟基乙酸(PGA)和聚乳酸(PLA)作为支架,复合软骨细胞后植入裸鼠皮下进行体内培养,28天后发现有软骨样组织出现。1997年Cao等〔20〕以一个3岁儿童耳廓作模型,用涂有PLA的PGA无纺网制成人耳形状的支架,接种软骨细胞,体外培养1周后植入裸鼠皮下,12周后取出的标本呈人耳状软骨,组织形态学检查证实为软骨组织。这一实验的成功,标志着预制人工软骨的组织工程技术正在走向成熟。尽管目前软骨组织工程的研究仍处在体外和动物体内实验阶段,距离有效的临床应用尚有艰巨的道路要走,但其发展速度和临床应用前景已受到广泛关注。有关组织工程化软骨的细胞行为、细胞与材料的优化组合及支架材料的特性以及与软骨形成过程中相关的生长因子等一系列问题均有待进一步阐明。
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    7 结语

    关节软骨自身无法修复这一事实早在200多年前已为人所知,随着医学的发展,多种治疗手段已运用于关节软骨损伤的修复,但大多数疗效不尽人意,修复组织也多以纤维软骨为主,缺乏正常透明软骨的力学性能及耐用性。自体组织材料来源有限且多伴侵袭性操作,异体材料存在生物相容性差及传播疾病的问题,人工关节置换不适用于关节病损较轻及年轻患者等。未来的研究将结合细胞、基质、生长因子、生物材料等多种因素,提高关节软骨缺损的修复质量,组织工程化软骨的应用有望成为修复关节软骨缺损的有效方法之一。

    作者简介:池雷霆(1966-),男,硕士,主治医师。研究方向:创伤

    裴福兴(1952-),男,教授,博士生导师,副院长。研究方向:人工关节

    作者单位:

    裴福兴(华西医科大学附属第一医院骨科,四川 成都 610041)
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    1999-07-27收稿,2000-06-26修回, 百拇医药