骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)潮線的研究進展

宋偉，謝勇輝 綜述；馮斌 審校

（解放軍第42醫(yī)院 骨科，四川 樂山 614100）

骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)軟硬組織結(jié)合處普遍存界面結(jié)構(gòu)，界面結(jié)構(gòu)由潮線和鈣化層共同組成，鈣化層即鈣化軟骨，而潮線是界面結(jié)構(gòu)的特征性組分和功能前沿。在骨骼生長發(fā)育期，潮線不斷前移，將非鈣化軟骨轉(zhuǎn)化為鈣化層；骨骼停止發(fā)育后，鈣化層厚度保持動態(tài)恒定。此時，兩者共同作為界面結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著牢固連接軟硬組織、分散應(yīng)力、交通物質(zhì)轉(zhuǎn)運和維持界面穩(wěn)態(tài)等重要功能。

潮線是鈣化層的礦化前沿，在成熟軟骨中保持生理性鈣化動態(tài)平衡，在特定條件下如局部應(yīng)力改變、創(chuàng)傷時啟動礦化進程，潮線復(fù)制、前移，鈣化層厚度增加，通過生物力學(xué)和生物化學(xué)兩條途徑適應(yīng)微環(huán)境變化，當(dāng)潮線改變超過一定限度時誘發(fā)和加重退行性疾病，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨退變或腱止點病。在組織工程骨軟骨復(fù)合體領(lǐng)域，如何構(gòu)建具有形態(tài)和功能仿生的潮線結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為研究熱點[1]。

1 潮線的形態(tài)結(jié)構(gòu)和成分

潮線位于非鈣化軟骨和鈣化層之間，蘇木精-伊紅染色法（hematoxylin-eosin staining, HE染色法）下是一條厚度約10 μm的嗜堿性、波浪線狀結(jié)構(gòu)。依據(jù)平面幾何學(xué)方法，潮線的粗糙度可用潮線實際長度和經(jīng)過潮線的直線長度比值來測量，人股骨髁軟骨潮線粗糙度約為1.14，粗糙度升高提示潮線區(qū)代謝活動增加[2]。Lyons等[3]采用計算機技術(shù)重建人類脛骨平臺軟骨潮線模型，發(fā)現(xiàn)潮線具有復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)，顯著增加了非鈣化軟骨和鈣化層的接觸面積。潮線區(qū)域的II膠原纖維形成放射狀排列的纖維束，垂直或斜形穿過潮線進入鈣化層，構(gòu)成錯綜復(fù)雜的連鎖根狀系統(tǒng)，增加了非鈣化軟骨和軟骨下骨的連接強度。

潮線區(qū)域的軟骨細(xì)胞呈柱狀排列，和膠原纖維束走形一致。與透明軟骨或者纖維軟骨的軟骨細(xì)胞不同，潮線區(qū)軟骨細(xì)胞周圍有典型的基質(zhì)小泡，直徑約為0.1～0.2 μm，最初位于線粒體中，通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)運通道向細(xì)胞膜表面移動，最終從軟骨細(xì)胞表面“芽生”而出，具備了單位膜結(jié)構(gòu)，膜內(nèi)包裹羥磷灰石結(jié)晶并最終進入了鈣化部位的基質(zhì)中。潮線基質(zhì)中還含有特異糖蛋白、鉛、脂質(zhì)、堿性磷酸酶和三磷酸腺苷（adenosine triphosphate,ATP）等物質(zhì)，形成鈣磷脂復(fù)合體參與軟骨鈣化過程，提示潮線不僅是一個連接結(jié)構(gòu)，而且具有特殊細(xì)胞活動和代謝過程，在維持界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和保持生理性鈣化動態(tài)平衡方面發(fā)揮著獨特作用[4]。

2 潮線的功能

2.1 潮線的生物力學(xué)功能

潮線通過自身復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)增加接觸面積，通過于垂直關(guān)節(jié)面的膠原纖維將剪切力轉(zhuǎn)化為壓力和張力，起到傳導(dǎo)、分散應(yīng)力的作用，從而增加軟骨和軟骨下骨的連接強度。潮線正常代謝決定了鈣化層的彈性模量，鈣化層彈性模量介于軟骨和軟骨下骨之間，能有效緩解應(yīng)力在不同界面?zhèn)鲗?dǎo)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中，起到保護軟骨的作用；當(dāng)發(fā)生骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis, OA）時，潮線礦化過程啟動，潮線復(fù)制、前移，鈣化層厚度增加的同時彈性模量也升高，破壞了軟骨-骨界面的應(yīng)力梯度，使異常應(yīng)力累積于潮線，故臨床多見軟骨從潮線處剝脫[5]。

根據(jù)伍爾夫定律（Woff定律），骨骼生長發(fā)育會因受到力學(xué)刺激而改變其自身結(jié)構(gòu)，同理，潮線會主動啟動礦化進程來適應(yīng)外周應(yīng)力變化。當(dāng)跟腱長期受到持續(xù)、累積應(yīng)力時，腱骨界面會出現(xiàn)“漲潮”現(xiàn)象，伴隨著纖維軟骨區(qū)的活躍鈣化，潮線將逐步前移，甚至?xí)礁墙Y(jié)節(jié)輪廓而垂直于跟腱長軸，這一改變使跟腱附著點向后上方移位，增大了跟腱作用力臂，使小腿三頭肌收縮力矩加大，有利于腱骨界面承受更大負(fù)荷。但是，當(dāng)鈣化超過生理需求限度時，在跟后結(jié)節(jié)會形成Haglund畸形，導(dǎo)致患者疼痛、穿鞋困難和跛行[6]。臨床上類似潮線重啟鈣化而誘發(fā)疾病的現(xiàn)象比較常見，在肩關(guān)節(jié)發(fā)生于岡上肌腱的大結(jié)節(jié)止點，在肘關(guān)節(jié)發(fā)于內(nèi)外上髁的屈肌或伸肌總腱起點，在腕關(guān)節(jié)則多發(fā)生于尺側(cè)腕屈肌腱的豆?fàn)罟侵裹c或橈側(cè)腕屈肌腱的第2掌骨止點，統(tǒng)稱為鈣化性腱止點末端病，其發(fā)病率約占運動性損傷的50%，嚴(yán)重影響了高水平運動員的職業(yè)生涯[7]。

2.2 潮線的生物學(xué)功能

潮線生物學(xué)功能在于維持界面結(jié)構(gòu)恒定和保持生理性鈣化動態(tài)平衡。眾所周知，四肢骨骼生長方式主要為軟骨內(nèi)化骨，在胚胎期5～6周形成具有長骨形態(tài)的軟骨雛形，分為中段的軟骨干和兩端的骺軟骨，骺軟骨在出生后數(shù)年內(nèi)相繼骨化，形成二次骨化中心。骨骺發(fā)育到一定程度，骨骺區(qū)軟骨增殖和成骨活動停止，軟骨未全部骨化，從而形成覆蓋關(guān)節(jié)表面的透明軟骨，當(dāng)骨骼發(fā)育成熟時出現(xiàn)典型潮線結(jié)構(gòu)，此時，骺軟骨不再增大、增寬。但是，潮線出線并不意味著鈣化停止，潮線區(qū)域仍然存在生理性鈣化活動，并且和軟骨下骨重塑相偶聯(lián)，使鈣化層厚度保持恒定。界面結(jié)構(gòu)中鈣化層厚度與關(guān)節(jié)軟骨總厚度的比值約為1∶10，不隨著年齡增長和關(guān)節(jié)內(nèi)部區(qū)域不同而改變，這是由潮線主導(dǎo)的軟骨內(nèi)化骨過程和軟骨下骨重塑之間形成平衡所決定的[8]。

鈣化層通過潮線代謝保持一個理想厚度，不僅有利于牢靠固定非鈣化軟骨和軟骨下骨，而且有利于軟骨下骨營養(yǎng)成分進入軟骨。Arkill等[9]證實界面結(jié)構(gòu)對小分子示蹤劑熒光素鈉（Na）和玫瑰紅B具有通透性，提示分子量和示蹤劑相近的營養(yǎng)物質(zhì)和信號分子可以通過潮線進入軟骨深部。Pan等[10]發(fā)現(xiàn)鈣化層中存在非礦化區(qū)，約占鈣化層總面積的22%，可能為小分子物質(zhì)在骨軟骨之間轉(zhuǎn)運提供潛在通道。Guevremont等[11]也認(rèn)為病變軟骨下骨成骨細(xì)胞合成的肝細(xì)胞生長因子，可能以旁分泌的方式越過潮線進入軟骨深層，進而影響軟骨細(xì)胞代謝、誘發(fā)細(xì)胞凋亡。綜上可見，骨和軟骨通過界面結(jié)構(gòu)組成一個彼此獨立又相互影響功能單位。

3 潮線在骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)退行性疾病中的作用

臨床上骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)退行性疾病十分常見，例如發(fā)生在髖、膝、足踝、手指和顳下頜等大小關(guān)節(jié)的原發(fā)性O(shè)A，以及椎間盤退變、鈣化性腱止點末端病等，上述疾病雖然侵犯人體不同部位，但其特征性病變都包括潮線這一界面結(jié)構(gòu)的變化。在透明軟骨尚未出現(xiàn)明顯退變的OA早期，潮線鈣化抑制機制解除，潮線區(qū)軟骨細(xì)胞分泌Ⅹ型膠原，潮線復(fù)制、前移，非鈣化軟骨基質(zhì)不斷鈣化，基質(zhì)礦化為軟骨內(nèi)化骨過程提供充足物質(zhì)準(zhǔn)備；在OA中晚期，潮線繼續(xù)向前推進，髓腔來源的毛細(xì)血管大量侵入潮線，鈣化層在侵入血管的作用下發(fā)生重塑，不斷向軟骨下骨轉(zhuǎn)化，鈣化層厚度減小甚至完全消失[12]。

椎間盤退變是引起下腰痛的常見原因，其病因尚不清楚，但是越來越多的學(xué)者開始重視軟骨終板病變和椎間盤退變的關(guān)系。上下軟骨終板是椎間盤血供的主要來源，終板深層具有大量交織纏繞的血管芽，血管芽和軟骨下骨血管竇相通，通過滲透作用為椎間盤提供營養(yǎng)。在椎間盤退變早期，終板深層潮線鈣化進程啟動，鈣化層厚度增加的同時軟下骨也增厚，導(dǎo)致終板深層血管芽和血管竇閉塞，骨-軟骨終板營養(yǎng)通路被破壞，進而引起椎間盤代謝障礙，加快椎間盤退變[13]。鈣化性岡上肌腱炎是引起肩部疼痛和功能障礙的常見疾病，好發(fā)于40歲左右的體力勞動者，鈣化灶多分布于岡上肌腱大結(jié)節(jié)附著處，研究發(fā)現(xiàn)在疾病早期尚無明顯癥狀時，潮線已經(jīng)前移到岡上肌腱距離大結(jié)節(jié)止點約2 cm處，此區(qū)域內(nèi)肌腱膠原纖維發(fā)生纖維軟骨化，然后向鈣化軟骨轉(zhuǎn)變，鈣質(zhì)沉積于軟骨細(xì)胞分泌的基質(zhì)囊泡中，囊泡互相融合成為長條型或球塊型鈣沉積物，隨著來源于髓腔的新生血管侵入鈣沉積，進入鈣鹽吸收階段，此時患者因劇烈疼痛而求醫(yī)，如果保守治療無效，關(guān)節(jié)鏡下徹底清除鈣沉積物是推崇手術(shù)方 案[14-15]。

上述潮線病變的本質(zhì)可能是二次骨化中心的再次激活，這一軟骨內(nèi)化骨過程由軟骨細(xì)胞肥大凋亡、軟骨基質(zhì)礦化和新生血管形成等序貫相連。利用甲狀旁腺激素抑制潮線區(qū)軟骨細(xì)胞終末分化、凋亡[16]，使用磷酸枸櫞酸鹽抑制潮線前移、基質(zhì)礦化[17]，運用血管內(nèi)皮生長因子拮抗劑阻斷軟骨下骨新生血管形成[18]，在體外和動物實驗中都起到了保護軟骨、延緩疾病進展的作用?？傊猿本€為作用靶點為骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)退行性疾病的預(yù)防和治療提供了嶄新思路[19]。

4 潮線是界面組織工程領(lǐng)域研究的熱點

隨著組織工程技術(shù)不斷進步，許多學(xué)者開始嘗試設(shè)計具有界面結(jié)構(gòu)的骨軟骨復(fù)合組織。Allan等[20]一體構(gòu)建出具有鈣化層結(jié)構(gòu)的骨-軟骨復(fù)合體，可更好分散應(yīng)力和抗剪切力，且骨軟骨之間粘合緊密、不易分層脫落。然而，此鈣化層僅初步具備界面結(jié)構(gòu)的材料學(xué)和力學(xué)特性，仍然缺乏潮線的生物學(xué)功能。為了彌補這一不足，Cheng等[21]利用間充質(zhì)干細(xì)胞和膠原微球技術(shù)體外培養(yǎng)出具有潮線功能的界面結(jié)構(gòu)，其中具備肥大軟骨細(xì)胞、Ⅹ型膠原、鈣鹽沉積和垂直走向的膠原纖維。在一項最近的研究中，Lee等[22]使用生物降解性和骨相容性良好的多孔聚磷酸鈣生物陶瓷做作為軟骨下骨底物，利用骨髓基質(zhì)干細(xì)胞作為種子細(xì)胞，在底物上成功分層構(gòu)建出具有潮線功能的鈣化層和透明軟骨結(jié)構(gòu)，潮線區(qū)種子細(xì)胞經(jīng)過三碘甲腺原氨酸誘導(dǎo)后可終末分化成肥大軟骨細(xì)胞，分泌Ⅹ型膠原并啟動鈣化。由于此復(fù)合體的軟骨部分不具有導(dǎo)致生物排斥的異體支架結(jié)構(gòu)，可快速用于大動物試驗并有希望進入臨床早期研究。

上述系列研究表明界面組織工程已經(jīng)從形態(tài)、物理結(jié)構(gòu)重建逐步深入到生物學(xué)功能的仿生重建，具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。

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