人工關節(jié)假體周圍無菌性松動的發(fā)生機制

張曉非，呂震，王小泉，劉軍

關節(jié)置換術是目前多種終末期關節(jié)疾病最為有效的治療手段，但有多種原因可導致假體失效，例如感染、松動、假體周圍骨折、假體損壞及脫位等，關節(jié)翻修手術將使患者承擔巨大的經(jīng)濟負擔，嚴重者甚至需行截肢手術。以膝關節(jié)為例，綜合各國關節(jié)登記系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，假體無菌性松動是翻修手術的首要原因，約占全部翻修手術的29.8%；其中第1 個建立人工關節(jié)登記系統(tǒng)的瑞典顯示該數(shù)據(jù)為26%，英國國家登記系統(tǒng)為32%［1］。假體無菌性松動主要是由于周圍的骨溶解現(xiàn)象，目前尚無有效的保守治療措施。如何有效控制骨溶解的發(fā)生一直是關節(jié)外科研究的熱點。對于該現(xiàn)象的發(fā)生機制，國內(nèi)外學者提出的理論包括：應力遮擋、磨損微粒反應、內(nèi)毒素反應、免疫反應、個體基因易感性等。本文對以上各觀點的生物學機制進行綜述，為后續(xù)研究及臨床應用提供參考。

1 應力遮擋對骨組織代謝的影響

應力遮擋是指當2種及以上具有不同剛度的材料共同承載外力時，剛度較高的材料承擔較多的載荷，而剛度較低的材料則承載較低的載荷。應力遮擋對骨折愈合的影響一直是創(chuàng)傷骨科討論的熱點，近年來其在關節(jié)置換領域也愈發(fā)重要。成骨細胞和破骨細胞可以通過感受力學刺激對骨的生長和吸收進行調(diào)節(jié)。只有骨骼載荷在生理載荷范圍內(nèi)，才能刺激成骨細胞發(fā)揮功能，促進骨生成；否則均可導致骨代謝的異常。在人工關節(jié)置換術后，由于假體材料與骨組織之間的剛度存在差異，假體的彈性模量高于骨骼，在假體與骨骼這個受力整體上，假體會承擔大部分應力，因此骨組織承擔的應力會有一部分被假體所遮擋，進而造成骨量丟失，當然這也與假體設計、關節(jié)發(fā)育個體差異以及醫(yī)師的手術操作情況有關。以膝關節(jié)為例，有研究發(fā)現(xiàn)股骨遠端的應力遮擋來源于髕骨對股骨的壓縮及剪切應力，因此骨密度降低常表現(xiàn)在股骨假體前髁后方，而在股骨遠端及后髁部位則不明顯；且膝關節(jié)置換術后由于力線的糾正，脛骨平臺內(nèi)、外側(cè)的應力重新分布，術后隨訪觀察發(fā)現(xiàn)應力降低的一側(cè)骨密度降低，而應力升高的一側(cè)骨密度增高［2］。當然目前的假體仍不能避免應力遮擋的影響，但隨著假體設計、連接方式以及假體材質(zhì)的改進，其對骨代謝的影響也會隨之改善，另外應力遮擋帶來的骨代謝變化是否為導致假體松動的始動原因尚需進一步研究和驗證。

2 磨損顆粒對骨組織代謝的影響

磨損顆粒來源于關節(jié)活動過程中人工關節(jié)各部件、骨、骨水泥三者之間的相互摩擦，主要包括金屬微粒、聚乙烯微粒、骨水泥微粒等。磨損顆粒的大小、材質(zhì)、數(shù)目、理化性質(zhì)等均與骨溶解反應的發(fā)生及周圍細胞的生物學變化有密切聯(lián)系［3］，例如直徑為0.1～1.0 μm 的微粒最具生物學活性，其被巨噬細胞吞噬后會引發(fā)一系列細胞因子的釋放［4］。微粒會對人體組織帶來很多影響，已有研究證明磨損微粒改變了假體周圍生物環(huán)境，影響了原有的骨代謝平衡，產(chǎn)生明顯骨溶解現(xiàn)象［5-6］。

2.1 磨損顆粒誘發(fā)炎癥反應刺激破骨細胞分化 磨損顆粒造成的骨溶解現(xiàn)象主要是由于其誘發(fā)的炎癥反應影響破骨細胞與成骨細胞的代謝。骨組織代謝主要由破骨細胞及成骨細胞來完成，破骨細胞由單核-巨噬細胞系的破骨細胞前體細胞分化而來，而成骨細胞來源于間充質(zhì)干細胞。正常生理條件下，破骨細胞與成骨細胞的動態(tài)平衡維持著骨代謝的穩(wěn)態(tài)。假體周圍由于微粒的存在使其平衡被打破，造成骨吸收增加而骨形成降低，這是假體無菌性松動的主要原因［7］。假體周圍界膜中有大量含磨損顆粒的巨噬細胞、成纖維細胞等炎癥相關細胞，并且腫瘤壞死因子（TNF）-α、白細胞介素（IL）-1β、IL-8、IL-6 等炎性細胞因子數(shù)量明顯增高，巨噬細胞可在磨損顆粒和細胞因子的刺激下向不同的表型極化，在假體周圍主要極化為M1 型，M1 型巨噬細胞作為經(jīng)典活化的巨噬細胞，其主要作用是促進炎癥反應［8］。磨損顆粒作為體內(nèi)異物，首先被巨噬細胞識別并吞噬，巨噬細胞同時釋放多種細胞因子誘導炎癥級聯(lián)反應吸引并募集更多巨噬細胞，如分泌IL、TNF、花生四烯酸代謝產(chǎn)物（PGE）、核因子κB受體活化因子配基（RANKL）、前列腺素等。這些炎性細胞因子會刺激破骨細胞前體細胞向破骨細胞分化［9-10］。

2.1.1 磨損顆粒造成的信號通路變化 破骨細胞分化過程極其復雜，涉及多個信號通路，目前研究較多的是核因子κB 受體活化因子（RANK）-RANKL-骨保護素（OPG）通路。RANK 屬于TNF 受體家族Ⅰ型跨膜蛋白，基因定位于染色體18q22.1。RANKL 屬于TNF 受體家族Ⅱ型跨膜蛋白，基因定位于染色體13q14。OPG也是TNF超家族成員之一，是一種分泌型糖蛋白，也是RANK 的假性配體。成骨細胞表達RANKL及OPG，破骨細胞及破骨細胞前體細胞表達RANK。RANK與RANKL結合會促進破骨細胞前體細胞向破骨細胞分化以及成熟破骨細胞的活化，同時還能抑制破骨細胞的凋亡。同時OPG 與RANKL存在競爭性結合，可阻斷RANKL 與RANK 的結合，同時誘導破骨細胞凋亡，從而防止過度骨吸收［11］。目前研究已證實RANKL 大量存在于含有磨損顆粒的組織中，磨損顆粒會激活核因子（NF）-κB通路，促進假體周圍組織中破骨細胞的分化及增殖［12］。

骨代謝異常除了受RANK-RANKL-OPG 通路影響外，還涉及諸多分子與信號通路。Toll 樣受體家族（TLRs）是存在于巨噬細胞促炎癥反應信號通路中的觸發(fā)器，TLR-2及TLR-4均可誘導RANKL的表達，促進破骨細胞前體向破骨細胞轉(zhuǎn)化。骨髓分化因子-88（MyD88）作為信號傳導蛋白，可與多種Toll 樣受體蛋白相互作用激活下游信號通路，增加破骨細胞的生成。MyD88在假體無菌性松動患者中表達明顯上調(diào)［13］。另外，絲裂原活化蛋白激酶（p38MAPK）通路作為RANK-RANKL-OPG 通路的下游通路，對破骨細胞分化同樣具有重要作用。有研究表明TNF-α 可通過激活p38MAPK 通路導致IL-1 表達顯著上調(diào)，從而促進RANKL 的產(chǎn)生，刺激破骨細胞的生成。體外實驗已經(jīng)證實p38MAPK 通路抑制劑可阻斷RANKL 誘導生成破骨細胞［14］。除此以外，磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）、NF-κB等信號通路也均被證實在骨溶解現(xiàn)象中具有重要作用［15］。另有研究表明，磨損顆?？纱碳ぜ袤w周圍界膜中高表達血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）及其受體，VEGF 相關通路主要起到刺激血管新生的作用，但是應用酪氨酸激酶抑制劑干擾VEGF 后，破骨細胞分化被抑制，提示VEGF 相關信號通路與骨代謝關系密切［16］?；|(zhì)金屬蛋白酶家族（MMPs）是一類依賴于鋅離子和鈣離子的蛋白水解酶，主要由巨噬細胞、中性粒細胞、內(nèi)皮細胞等產(chǎn)生，其生理作用主要包括降解膠原、細胞外基質(zhì)、黏蛋白等，各種炎性細胞因子可影響MMPs的表達和激活。除參與炎癥反應外，MMPs 還參與誘導破骨細胞的分化成熟，通過實驗證實抑制MMP-9基因的表達可阻斷細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK）相關信號通路，進而抑制破骨細胞的分化，使骨溶解現(xiàn)象得到明顯改善［17］。

2.1.2 磨損顆粒對細胞增殖及分化的影響 磨損顆粒同樣可通過成骨細胞發(fā)揮作用，磨損顆粒可抑制骨連接素、骨鈣素等骨生成作用相關分子的表達，且可通過誘導NF-κB活化和IL-6的釋放破壞膠原的合成，以及減少成骨細胞基質(zhì)的產(chǎn)生來抑制成骨細胞的增殖［18-19］。當巨噬細胞被磨損顆粒激活后，可刺激成骨細胞釋放巨噬細胞集落刺激因子（GM-CSF）和RANKL，兩者均是促進破骨細胞分化及成熟的核心細胞因子［20］，可增加下游相關基因的表達，如端粒酶調(diào)節(jié)相關蛋白（TRAP）、樹突狀細胞-特異性跨膜蛋白（DC-STAMP）、c-Fos和活化T細胞核因子1（NFATc1）等，促使破骨細胞前體細胞向破骨細胞分化［21-22］。

2.2 磨損顆粒對細胞凋亡的影響 細胞凋亡是通過激活凋亡基因使細胞內(nèi)部程序性死亡的過程，在假體周圍界膜中可發(fā)現(xiàn)大量誘導細胞凋亡現(xiàn)象的Caspase 家族及p53 基因等活性片段，證實了假體周圍存在活躍的細胞凋亡現(xiàn)象［23］。有研究發(fā)現(xiàn)磨損顆粒的大小對假體周圍細胞代謝的影響不同，例如納米級粒子會影響成骨細胞的細胞骨架結構，造成成骨細胞形態(tài)發(fā)生改變，從而影響成骨細胞的存活及增殖能力［24］。除此以外，在小鼠顱骨的骨溶解模型中發(fā)現(xiàn)磨損顆粒可上調(diào)成骨細胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激蛋白的表達，提高內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激反應。有研究證實，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激反應可與多個細胞凋亡通路相偶聯(lián)，進而抑制成骨細胞的分化、成熟，但應用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激蛋白抑制劑后，成骨細胞凋亡明顯減少，骨溶解癥狀得到明顯緩解，初步推論內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激介導了成骨細胞的凋亡，在假體周圍骨溶解中發(fā)揮了一定的作用［25］。雖然磨損顆粒導致凋亡的具體基因表達及信號傳導過程尚未明確，但可以認為磨損顆粒通過抑制破骨細胞凋亡同時促進成骨細胞及基質(zhì)干細胞凋亡，來調(diào)節(jié)假體周圍骨溶解及骨生成過程。

3 內(nèi)毒素對骨組織代謝的影響

內(nèi)毒素是細菌碎片產(chǎn)物，最常見的是革蘭陰性菌細胞壁中的脂多糖，此外還有革蘭陽性菌的磷脂壁酸及肽聚糖等，僅當細菌死亡溶解或用人工方法破壞菌細胞后才釋放出來，故被稱為內(nèi)毒素。內(nèi)毒素并不會造成臨床感染征象，其效應類似于假體磨損顆粒，影響假體周圍的代謝環(huán)境，是無菌性松動不可忽視的原因之一。內(nèi)毒素可存在于術中、術后以及假體器械消毒等諸多環(huán)節(jié)，其來源主要包括3種：首先是來源于已被滅菌的內(nèi)植物及外科手術器械表面殘余的細菌碎片；其二是來源于腸道吸收，人體腸道內(nèi)存在大量革蘭陰性細菌，如大腸桿菌，當人體因為創(chuàng)傷、手術等應激引起腸黏膜屏障功能受損時，可導致大量腸道內(nèi)毒素被吸收入血；第三是來源于體內(nèi)其他部位的細菌感染，即使是亞臨床濃度的細菌攜帶者，雖然無明顯臨床癥狀及陽性實驗室檢查指標，但極微量的細菌也可在代謝過程中將內(nèi)毒素釋放入血。內(nèi)毒素的生物學活性非常穩(wěn)定，在室溫保存數(shù)月活性可不發(fā)生改變，在營養(yǎng)物質(zhì)缺乏的生理鹽水中也能生長，而且常規(guī)滅菌法不能有效去除內(nèi)毒素。在關節(jié)置換手術中，內(nèi)毒素可通過手術器械、植入物、術后血行散播等方式殘留在假體周圍。人工關節(jié)置換后假體松動患者大多無臨床感染表現(xiàn)，但通?？稍谄渌蓜蛹袤w標本中檢出脂多糖成分。有體外研究發(fā)現(xiàn)，去除內(nèi)毒素后的鈦金屬磨損顆?？擅黠@抑制細胞的炎癥反應，炎性細胞因子的表達量較未經(jīng)處理組降低50%～70%，且其對巨噬細胞的刺激作用被顯著抑制［26］。TLR4是一類天然免疫受體，是介導內(nèi)毒素應答的主要受體，廣泛分布于宿主防御細胞上，如巨噬細胞、內(nèi)皮細胞、粒細胞等。有研究表明，內(nèi)毒素脂多糖侵入人體后首先與血清脂多糖結合蛋白結合，后與細胞表面的CD14 分子結合，激活TLR4-CD14信號傳導通路，進一步激活NF-κB和p38MAPK信號通路，從而促進各種炎性因子及趨化因子的表達，調(diào)控骨細胞的增殖、分化及凋亡過程［27-28］。內(nèi)毒素激活效應細胞的過程極其復雜，其具體機制尚未完全明確，但可以確定的是內(nèi)毒素導致的一系列細胞因子的釋放對于骨溶解現(xiàn)象有不可忽視的影響［29］。

4 免疫反應及個體基因差異對骨組織代謝的影響

目前有關淋巴細胞在假體松動現(xiàn)象中的作用尚存爭議，有研究發(fā)現(xiàn)松動假體周圍界膜中T 淋巴細胞的數(shù)量較正常組明顯升高，并且大部分為CD25活化的T 淋巴細胞［30］。金屬離子、聚乙烯磨損微粒甚至骨水泥微粒都有可能作為抗原使人體產(chǎn)生遲發(fā)性超敏反應［31］，通過激活輔助T 淋巴細胞釋放一系列炎性細胞因子，如IL-2、抗原分化簇40（CD40）、血漿炎性趨化因子（CXCL）9、CXCL10、干擾素γ（IFN-γ）等，導致炎癥反應進行性加重，最終造成骨溶解［32］。這種獲得性免疫反應在骨溶解中發(fā)揮的作用常被低估，或者將其與先天性免疫產(chǎn)生的炎癥效應相混淆。由于獲得性免疫反應與先天性免疫反應發(fā)揮作用的主要細胞因子不同，可通過檢測mRNA 來區(qū)分兩者在骨溶解中發(fā)揮的作用。骨溶解過程中免疫應答的產(chǎn)生是由植入物造成的獲得性免疫反應還是磨損微粒刺激巨噬細胞產(chǎn)生的先天性免疫反應，仍有待進一步研究證實［33］。另外，有研究表明遺傳學因素也可影響假體周圍骨溶解，由此可以解釋在具備相同高危因素、假體材料及相近個體發(fā)育特征的患者中，骨溶解程度卻不盡相同［34］。有研究發(fā)現(xiàn)，具有高敏感性免疫表型的患者行假體置換術后骨溶解的發(fā)生率及嚴重程度均較高，其原因可能與該人群對炎癥刺激的反應是優(yōu)先表達促炎因子而不是抗炎因子有關，但其具體機制尚不明確［35］。雖然不能排除術者的技術及假體設計的影響，但個體遺傳差異與骨溶解現(xiàn)象的關系亦不容忽視。

5 問題與展望

關節(jié)置換術后假體周圍骨溶解現(xiàn)象的發(fā)生機制極其復雜，目前多種相關學說尚處在實驗階段，且未達成共識。另外，對于骨溶解現(xiàn)象尚無有效的生物學檢測指標，無法進行早期干預治療，并且無法有效評估治療效果，故當患者出現(xiàn)明顯松動癥狀而就診時，通常已無法保留原假體，只能依靠翻修手術恢復關節(jié)功能。對于控制骨溶解現(xiàn)象，首先必須改進假體的材料設計及固定技術，使其提高耐磨性并減少磨損微粒的產(chǎn)生；其次需要完善藥物治療方案，目前藥物治療主要針對抑制骨吸收、促進骨生成和抑制炎癥反應，其治療藥物分別為雙膦酸鹽類藥物、骨形態(tài)發(fā)生蛋白及他汀類藥物、TNF-α 拮抗劑及環(huán)氧化酶抑制劑。有研究通過從植物中提取千金藤堿等成分來改善骨代謝情況［36］。闡明關節(jié)置換術后假體周圍骨溶解現(xiàn)象的發(fā)生機制，尋找有效的生物標志物及藥物治療靶點仍是關節(jié)外科亟待解決的難題之一。