膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎軟骨退變與軟骨下骨形態(tài)學(xué)改變的相關(guān)性研究

馬海濤 王維山 董金波 史晨輝

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎( osteoarthritis，OA) 是最常見的一種關(guān)節(jié)疾病，也是導(dǎo)致老年人關(guān)節(jié)功能障礙最主要的原因［1］。OA 不僅僅是關(guān)節(jié)軟骨的病變，常常累及關(guān)節(jié)的所有組織，如軟骨下骨、周圍軟組織的肌肉和韌帶等［2］。目前沒有有效的治療及藥物可延緩OA 的病程，在晚期只能采取全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)( total knee arthroplast，TKA) ，給患者及其家庭帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)［3］。

過去認(rèn)為關(guān)節(jié)軟骨的改變是骨性關(guān)節(jié)炎主要的病變，但隨著對(duì)骨軟骨結(jié)構(gòu)和功能的深入研究，所有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)包括軟骨下骨、骨小梁、關(guān)節(jié)囊等都會(huì)受到影響。自1986 年Radin 等［4］首次提出軟骨下骨可能在軟骨退變的開始及進(jìn)展中起作用后，目前對(duì)軟骨下骨的研究已成為焦點(diǎn)之一。因此，研究骨性關(guān)節(jié)炎病程中軟骨下骨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有助于進(jìn)一步了解骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制，從而為骨性關(guān)節(jié)炎的預(yù)防和治療提供新的思路。

材料與方法

1.樣本的獲?。汉Y選石河子大學(xué)第一附屬醫(yī)院2012 年11月～2013 年11 月期間行TKA 治療的30 例膝關(guān)節(jié)OA 患者，術(shù)前排除創(chuàng)傷致殘、腫瘤致殘、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎致殘等其他膝關(guān)節(jié)疾病。標(biāo)本均為手術(shù)過程中獲取，其中，男性12 例12 膝，女性18 例18 膝，患者年齡50 ～75 歲，病程10 年以上。將樣本編號(hào)，-20℃冰箱保存以備掃描。

2.主要儀器和設(shè)備Micro -CT 系統(tǒng)： 儀器為Bruker 公司的Skyscan1176 小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)，分辨率模式為9、18、35μm，圖像處理軟件為系統(tǒng)配置的CT - analyzer、CTvol 和CTvox。

3.大體觀察：收集膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后脛骨平臺(tái)新鮮標(biāo)本30個(gè)，分別觀察內(nèi)外側(cè)平臺(tái)的軟骨顏色、光澤度和形態(tài)，樣本表面有無云翳樣結(jié)構(gòu)、破潰，有無軟骨下骨暴露、象牙化結(jié)果和骨贅生物形成等。

4.Micro-CT 掃描：將切取外側(cè)和內(nèi)側(cè)共計(jì)60 個(gè)組織塊平置于Micro -CT 系統(tǒng)( Skyscan1176，Bruker 公司) 的掃描床內(nèi)，膠帶固定以防止標(biāo)本移動(dòng)。沿標(biāo)本的長(zhǎng)軸方向掃描，獲取連續(xù)的Micro - CT 圖像。掃描參數(shù)設(shè)置為： 掃描分辨率18μm，旋轉(zhuǎn)角度360°，旋轉(zhuǎn)角增量0.7°，管電壓65 kV，管電流379μA，掃描時(shí)間18min，對(duì)同一樣品獲得500 張不同截面1024×1024 像素圖片。手動(dòng)方式將脛骨平臺(tái)外側(cè)和內(nèi)側(cè)骨組織作為興趣區(qū)域( region of interest，ROI) 進(jìn)行三維重建，重建灰度值為0 ～0.05。利用軟件CTdataviewer 和CTan、CTvol 進(jìn)行定量分析以及三維重建處理( 圖2) 。

5.參數(shù)測(cè)量：用Micro-CT 系統(tǒng)自帶的CTan 軟件包進(jìn)行三維空間參數(shù)分析，所檢驗(yàn)的參數(shù)包括骨小梁體積分?jǐn)?shù)( bone volume fraction BVF) ，即骨小梁的體積( bone volume BV) 除以樣本的體積( total volume TV) ，以百分?jǐn)?shù)( %) 表示； 骨小梁厚度Tb.Th) ，即以距離轉(zhuǎn)換方式將填充骨小梁結(jié)構(gòu)的最大球體直徑的平均值，以微米( μm) 表示； 骨小梁數(shù)量( trabecular number Tb.N) 為所觀察結(jié)構(gòu)中軸的平均距離的反函數(shù)，即填充骨性結(jié)構(gòu)的平均球體直徑的倒數(shù)，以毫米-1( mm-1) 表示；比較外側(cè)和內(nèi)側(cè)區(qū)域骨小梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

結(jié) 果

1.肉眼觀察大體形態(tài)圖：內(nèi)側(cè)平臺(tái)可見軟骨表面潰瘍，軟骨部分缺失，軟骨下骨暴露； 與內(nèi)側(cè)平臺(tái)相比，外側(cè)平臺(tái)軟骨表面相對(duì)完整，軟骨表面無缺失，有少量淺表潰瘍，軟骨下骨無暴露。脛骨平臺(tái)內(nèi)側(cè)軟骨退變較外側(cè)平臺(tái)明顯，詳見圖1。

2.樣本的Micro -CT 圖像特征： 采用Micro -CT系統(tǒng)CTan 軟件對(duì)選定區(qū)域和層厚范圍的骨小梁進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)重建和三維參數(shù)分析。三維圖形重建的結(jié)果顯示內(nèi)側(cè)區(qū)的小梁結(jié)構(gòu)散亂，骨小梁結(jié)構(gòu)和連續(xù)性喪失。OA 樣本的三維分析結(jié)果表明，與外側(cè)區(qū)相比，內(nèi)側(cè)平臺(tái)骨小梁體積分?jǐn)?shù)( BV/TV) 、骨小梁厚度( Tb.Th) 、骨小梁數(shù)目( Tb. N) 均有明顯的增加( P ＜0.05) ，而骨小梁間距( Tp.Sp) 是降低的( P ＜0.05，表1) 。

討 論

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎是一種慢性的關(guān)節(jié)疾病，其主要病理改變是關(guān)節(jié)軟骨的退行性改變和骨質(zhì)增生［5］。OA 的病程發(fā)展緩慢，診斷明確時(shí)都已到病程的晚期。OA 的病因是復(fù)雜的，受多種因素的影響，但是OA 最終都以關(guān)節(jié)軟骨的退變?yōu)楣餐卣鳌Ｈ欢?，不論是在人類骨性關(guān)節(jié)炎還是動(dòng)物的OA 模型中，OA 的發(fā)生率都與軟骨下骨的重塑有關(guān)［6，7］。

圖2 樣本的Micro-CT 圖像特征

表1 內(nèi)外側(cè)脛骨平臺(tái)骨小梁結(jié)構(gòu)參數(shù)比較

軟骨下骨位于關(guān)節(jié)軟骨下方，包括軟骨下骨板和其下方的骨小梁。軟骨下骨板構(gòu)成關(guān)節(jié)軟骨最深層的區(qū)域，包括鈣化層，皮質(zhì)終板。鈣化層與透明軟骨被潮線隔開。軟骨下骨為其上覆蓋的關(guān)節(jié)軟骨提供機(jī)械支持和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，軟骨下骨和關(guān)節(jié)軟骨作為一個(gè)功能單位共同維持著關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能的完整性［8，9］。軟骨下骨沒有一個(gè)明確的解剖界限，因此增加了軟骨下骨性質(zhì)研究的難度。Radin 等［4］1986 年提出軟骨下骨硬化不僅僅是軟骨退變后的繼發(fā)性改變，他認(rèn)為軟骨下骨硬化改變了軟骨下骨的機(jī)械力學(xué)性能，使軟骨下骨吸收震蕩、緩沖應(yīng)力的能力減弱，導(dǎo)致其上方軟骨承受異常增大的應(yīng)力而容易發(fā)生退變［4］。在短尾猴的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)軟骨下骨的硬化導(dǎo)致了其上關(guān)節(jié)軟骨的破壞［10］。根據(jù)目前的研究，被破壞的關(guān)節(jié)軟骨又會(huì)反過來影響其下軟骨下骨的結(jié)構(gòu)，從而形成了OA 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)破壞的惡性循環(huán)［11］。軟骨下骨重塑在OA 的發(fā)展從早期的骨吸收增加，骨增生，最終導(dǎo)致軟骨下骨硬化。在靈長(zhǎng)類動(dòng)物的OA 模型中，類骨質(zhì)體積的增加遠(yuǎn)比軟骨改變嚴(yán)重。雖然在OA 動(dòng)物模型中，通過對(duì)疾病進(jìn)展不同時(shí)期的觀察，軟骨下骨重塑可能發(fā)生在軟骨退變之前，但對(duì)于人而言，還有待驗(yàn)證［12］。

在OA 病程中，軟骨下骨的結(jié)構(gòu)變化包括骨轉(zhuǎn)換率增加，微骨折的出現(xiàn)，血管的再生以及后期軟骨下骨的硬化。在組織病理學(xué)中，潮線復(fù)制，透明軟骨變薄，新生血管從軟骨下骨進(jìn)入鈣化層，最終導(dǎo)致軟骨下骨厚度增加［13，14］。這些改變引起其上覆蓋的關(guān)節(jié)軟骨生物力學(xué)性質(zhì)的變化［15］。此外，在OA 發(fā)展過程中，每個(gè)軟骨下骨解剖區(qū)域都可能會(huì)發(fā)生不同的改變。因此，軟骨下骨的變化在OA 病程中起著十分重要的作用。臨床上選取的脛骨平臺(tái)都是膝關(guān)節(jié)OA晚期行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者，缺乏膝關(guān)節(jié)OA 早期患者的脛骨平臺(tái)。但是，同一患者內(nèi)外側(cè)平臺(tái)所處的OA 病程是不一致的，膝關(guān)節(jié)OA 并內(nèi)翻畸形患者的外側(cè)脛骨平臺(tái)處于OA 病程的早期［15］。本實(shí)驗(yàn)所觀察到的外側(cè)脛骨平臺(tái)標(biāo)本軟骨基本完整，而內(nèi)側(cè)平臺(tái)軟骨大面積缺失，軟骨下骨暴露。使用Micro -CT 掃描分析脛骨平臺(tái)內(nèi)外側(cè)平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)相較于外側(cè)脛骨平臺(tái)，內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)軟骨下骨出現(xiàn)硬化，骨小梁體積分?jǐn)?shù)，骨小梁厚度及骨小梁數(shù)目都是增多的，而骨小梁分離度是減小的。

軟骨下骨在OA 發(fā)病過程中的先導(dǎo)作用尚未確定，但目前的研究都提示它可能加快了OA 進(jìn)展過程，促進(jìn)了軟骨損傷、退變。因此，在OA 治療時(shí)既應(yīng)該針對(duì)關(guān)節(jié)軟骨，同時(shí)也應(yīng)關(guān)注軟骨下骨病變。目前對(duì)OA 的治療主要是減輕疼痛，改善關(guān)節(jié)功能，盡可能地延遲手術(shù)治療。到目前為止，沒有發(fā)現(xiàn)有效的藥物可以明顯地阻止OA 的進(jìn)展。同其他風(fēng)濕類的疾病一樣，需要找到能可靠改變OA 病情的藥物，以阻止關(guān)節(jié)軟骨的破壞?，F(xiàn)有的藥物包括抗重新收藥物，如雌激素、選擇性雌激素受體調(diào)節(jié)劑、二磷酸鹽等抗骨質(zhì)疏松類的藥物?？傊?，軟骨下骨在骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中的作用已經(jīng)成為當(dāng)前OA 研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。恢復(fù)軟骨下骨的動(dòng)態(tài)平衡被認(rèn)為是非常有前途的一項(xiàng)研究項(xiàng)目。

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