磨損顆粒誘導(dǎo)的人工關(guān)節(jié)假體無菌性松動

1數(shù)據(jù)和方法1.1檢索表1:“關(guān)節(jié)磨損顆粒,關(guān)節(jié)磨損顆?！笔紫龋褂糜嬎銠C(jī)應(yīng)用cnki和pubft數(shù)據(jù)庫搜索api，并在1991年1月至2012年3月之間的一篇人工關(guān)節(jié)磨損文章中應(yīng)用標(biāo)題和摘要“關(guān)節(jié)磨損、體制改革、運動”或“artie、movement、movement”進(jìn)行檢索。1.2文獻(xiàn)數(shù)量的選擇納入標(biāo)準(zhǔn):(1)具有原創(chuàng)性及科學(xué)性,論點及論據(jù)可靠的文章。(2)具有針對性強(qiáng)、相關(guān)度高的文獻(xiàn)。(3)對同一領(lǐng)域的文獻(xiàn)選擇近期或權(quán)威雜志發(fā)表的文獻(xiàn)。排除標(biāo)準(zhǔn):重復(fù)性研究以及陳舊的理論觀點。1.3文獻(xiàn)1:香港文獻(xiàn),文獻(xiàn)2.初檢得到120篇文獻(xiàn),其中英文文獻(xiàn)103篇,中文文獻(xiàn)17篇。閱讀標(biāo)題和摘要進(jìn)行初篩,排除與研究目的不符和重復(fù)性文章,最后選擇30篇符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)。2結(jié)果2.1人工關(guān)節(jié)體裁-骨界面磨損顆粒人工關(guān)節(jié)假體無論采用何種材料和何種固定方式,關(guān)節(jié)負(fù)重面的摩擦和材料與骨界面間的微動都會產(chǎn)生磨損顆粒,如聚乙烯顆粒、骨水泥顆粒以及金屬顆粒等。人工關(guān)節(jié)假體無菌性松動的發(fā)生和磨損顆粒的大小、數(shù)量、顆粒表面形態(tài)及顆粒的理化性質(zhì)有著密切的關(guān)系。依據(jù)Mckellop等對假體磨損機(jī)制的分型,Ⅰ型磨損是指兩個原始負(fù)重面之間的磨損,它是關(guān)節(jié)假體磨損的主要形式,翻修取出假體時可見負(fù)重摩擦面光滑,其產(chǎn)生的磨損顆粒直徑小而數(shù)量多,占體內(nèi)磨損顆?？偭康?0%以上,此種顆粒易被巨噬細(xì)胞所吞噬,是誘導(dǎo)組織反應(yīng)最主要的因素;Ⅲ型磨損是指兩個原始負(fù)重表面保持不變,而另一物體進(jìn)入兩個原始負(fù)重面之間而產(chǎn)生的磨損,翻修時取出的假體可見明顯擦痕,其產(chǎn)生的顆粒直徑較大但數(shù)量相對較少。磨損顆粒產(chǎn)生后,根據(jù)Schmalzried等提出的有效關(guān)節(jié)空間概念,即關(guān)節(jié)假體在接近關(guān)節(jié)腔的位置如未與骨床達(dá)到緊密結(jié)合,則骨與假體之間的界面在一定程度上成為了關(guān)節(jié)腔的直接延續(xù),關(guān)節(jié)液即可進(jìn)入。關(guān)節(jié)在負(fù)重運動過程中關(guān)節(jié)腔類似水泵的作用,使關(guān)節(jié)液中的磨損顆粒隨關(guān)節(jié)腔內(nèi)壓力梯度的變化而沿關(guān)節(jié)空間逐漸向假體遠(yuǎn)端擴(kuò)散,并在遠(yuǎn)端滯留。磨損顆粒大小對人工關(guān)節(jié)的影響:磨損顆粒的大小對巨噬細(xì)胞的吞噬能力有很大影響。Yan等對磨損顆粒的提取與分析研究表明:直徑在10μm以下的磨損顆?？杀煌淌杉?xì)胞所吞噬而產(chǎn)生溶骨性介質(zhì);直徑大于10μm的磨損顆粒則不能被吞噬細(xì)胞所吞噬,只能引起異物巨細(xì)胞的包繞反應(yīng)。Yagil-kelmer等將直徑為0.5μm和1.5μm的氧化鋁陶瓷磨損顆粒分別與人類單核細(xì)胞共同培養(yǎng),結(jié)果0.5μm直徑顆粒組的腫瘤壞死因子α、白細(xì)胞介素1α和白細(xì)胞介素1β的含量均高于直徑1.5μm顆粒組,說明磨損顆粒的大小是影響骨溶解與界膜產(chǎn)生的因素之一。磨損顆粒數(shù)量對人工關(guān)節(jié)的影響:一般認(rèn)為,如果磨損顆粒在關(guān)節(jié)假體-骨界面組織中的數(shù)量越多,其引起的慢性異物炎癥反應(yīng)就越強(qiáng)烈,骨溶解也就愈嚴(yán)重。戴閩等進(jìn)行的體外細(xì)胞實驗證實,隨著磨損顆?；鞈乙簼舛鹊脑黾?RANKL誘導(dǎo)RAW264.7生成的破骨細(xì)胞數(shù)量增多,并且在一定濃度下,磨損顆?；鞈乙旱臐舛扰c破骨細(xì)胞的數(shù)量呈正比。Kobayashi等通過對聚乙烯顆粒與骨溶解的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn),骨溶解與磨損顆粒數(shù)量高度相關(guān),只有當(dāng)每克界膜組織中磨損顆粒的數(shù)量超過1×1010時才會發(fā)生骨溶解。磨損顆粒表面形態(tài)對人工關(guān)節(jié)的影響:顆粒形狀同樣能夠影響相關(guān)的生物學(xué)反應(yīng)。Yang等的實驗結(jié)果表明,與球形顆粒相比,表面拉長的超高分子聚乙烯磨損顆粒具有更強(qiáng)的生物學(xué)活性,呈纖絲狀的超高分子聚乙烯磨損顆粒誘導(dǎo)產(chǎn)生的白細(xì)胞介素18和腫瘤壞死因子α的含量明顯高于呈球形顆粒,提示假體無菌性松動與磨損顆粒的形態(tài)有關(guān)。磨損顆粒理化性質(zhì)對人工關(guān)節(jié)的影響:人工關(guān)節(jié)假體-骨界面組織中存在大量聚乙烯、骨水泥和金屬微粒,其中聚乙烯微粒數(shù)量最多、分布最廣。Shanbhag等對從界膜組織中提取的磨損顆粒進(jìn)行分析,認(rèn)為聚乙烯顆粒是引起骨溶解最主要因素。雖然目前從組織學(xué)上還難以區(qū)分不同的磨損顆粒(如聚乙烯或金屬)對異物反應(yīng)性肉芽腫的刺激作用,但細(xì)胞培養(yǎng)已證實不同的材料會誘導(dǎo)不同的細(xì)胞學(xué)反應(yīng),其中聚乙烯的刺激作用最強(qiáng),它可以吸引巨噬細(xì)胞的趨化和吞噬,進(jìn)而引發(fā)和放大一系列生物學(xué)反應(yīng)。2.2磨損顆粒與骨溶解相關(guān)的機(jī)制1975年,Charnley等在松動的關(guān)節(jié)假體周圍發(fā)現(xiàn)有一層界膜組織,其中含有大量的巨噬細(xì)胞和異物巨細(xì)胞,并且發(fā)現(xiàn)界膜的部位與X射線片上的透亮帶相對應(yīng)。應(yīng)用組織學(xué)技術(shù)和細(xì)胞表面標(biāo)志蛋白的免疫化學(xué)分析技術(shù)研究顯示,界膜組織中含有巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、巨細(xì)胞、破骨細(xì)胞等成分,這些細(xì)胞受磨損顆粒的刺激而分泌不同的細(xì)胞因子影響骨轉(zhuǎn)換。磨損顆粒對巨噬細(xì)胞的作用:巨噬細(xì)胞在人工關(guān)節(jié)無菌性松動中扮演兩部分角色,一是充當(dāng)識別磨損顆粒最主要的細(xì)胞,早期啟動免疫機(jī)制,釋放細(xì)胞因子對機(jī)體起防御反應(yīng);二是巨噬細(xì)胞吞噬顆粒后釋放多種炎癥介質(zhì),誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成并引起鄰近骨質(zhì)吸收、骨重建紊亂。目前,磨損顆粒通過哪些途徑激活巨噬細(xì)胞,目前尚未完全清楚。王繼芳等研究認(rèn)為磨損顆粒刺激巨噬細(xì)胞導(dǎo)致胞膜Ca2+通道短暫而反復(fù)快速地開放,細(xì)胞在胞外Ca2+內(nèi)流產(chǎn)生的Ca2+信號介導(dǎo)下激活,通過細(xì)胞生物學(xué)調(diào)控系統(tǒng),迅速而靈敏地調(diào)節(jié)基因活動,引起非特異性mRNA轉(zhuǎn)錄,使巨噬細(xì)胞合成和分泌與刺激因素相應(yīng)的細(xì)胞因子,在骨-假體界面表現(xiàn)為多種溶骨因子的釋放及其介導(dǎo)的骨溶解反應(yīng)。Soloviev等研究發(fā)現(xiàn),磨損顆?？梢哉T導(dǎo)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生自由基,激活神經(jīng)鞘磷脂酶和發(fā)生細(xì)胞膜過氧化反應(yīng),而水解的神經(jīng)鞘磷脂可以通過核因子κB途徑及誘導(dǎo)骨吸收基因,啟動巨噬細(xì)胞釋放腫瘤壞死因子α。Kaisho等研究認(rèn)為磨損顆?？梢酝ㄟ^內(nèi)毒素啟動巨噬細(xì)胞,因為巨噬細(xì)胞上也有特異的內(nèi)毒素受體(CD14、Toll樣受體),提示內(nèi)毒素可能也參與假體周圍骨溶解的啟動。磨損顆粒對破骨細(xì)胞的作用:破骨細(xì)胞是通過骨吸收作用而維持骨的動態(tài)平衡,其來源于單核-巨噬細(xì)胞譜系。單核-巨噬細(xì)胞在磨損顆粒的作用下,分化成為破骨前體細(xì)胞,破骨前體細(xì)胞再進(jìn)一步分化為有骨吸收功能的破骨細(xì)胞而維持骨動態(tài)平衡。破骨細(xì)胞受磨損顆粒誘導(dǎo)后產(chǎn)生的骨溶解是導(dǎo)致假體松動的最重要原因。Baumann等研究認(rèn)為磨損顆粒通過激活核因子κB通路增強(qiáng)局部炎癥反應(yīng),促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化,使人工關(guān)節(jié)周圍破骨細(xì)胞數(shù)量增多,進(jìn)一步加重局部骨代謝紊亂和骨溶解。一方面磨損顆粒刺激巨噬細(xì)胞等產(chǎn)生的促炎癥因子激活破骨細(xì)胞,如腫瘤壞死因子α可促進(jìn)T細(xì)胞產(chǎn)生巨噬細(xì)胞集落刺激因子,并促進(jìn)成骨細(xì)胞和其他細(xì)胞分泌RANKL,進(jìn)而促進(jìn)破骨細(xì)胞分化。另一方面,γ-干擾素及白細(xì)胞介素6可抑制破骨細(xì)胞的形成,而鈦顆粒和聚甲基丙烯酸甲酯顆?？芍苯右种聘蓴_素γ信號及白細(xì)胞介素6信號的轉(zhuǎn)導(dǎo),促進(jìn)了破骨細(xì)胞的分化。磨損顆粒對成骨細(xì)胞的作用:磨損顆?？梢种萍袤w周圍成骨細(xì)胞的功能,使其增殖能力減弱,引起鄰近骨形成減少。戴閩等研究表明:金屬鈷鉻離子對成骨細(xì)胞的細(xì)胞周期分布有明顯影響,抑制其增殖使細(xì)胞大部分處于休眠期(G0-G1期),同時增加其凋亡率,并可抑制成骨細(xì)胞釋放堿性磷酸酶,從而降低成骨細(xì)胞的活力,導(dǎo)致骨形成能力下降,最終破骨效應(yīng)與成骨效應(yīng)失衡,引起假體的無菌性松動。Hock等認(rèn)為巨噬細(xì)胞吞噬磨損顆粒后釋放腫瘤壞死因子引起成骨細(xì)胞凋亡,并會由此影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的平衡,進(jìn)而影響骨代謝。將磨損顆粒與成骨細(xì)胞共培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)超高分子聚乙烯磨損顆?？梢种瞥晒羌?xì)胞的增殖與分化,減少骨基質(zhì)的合成,并明顯減少與成骨相關(guān)的骨鈣素、堿性磷酸酶、骨連接素等的表達(dá)。磨損顆粒對成纖維細(xì)胞的作用:成纖維細(xì)胞吞噬磨損顆粒后會分泌一些促骨溶解因子,如RANKL等來促進(jìn)破骨細(xì)胞分化。Sakai等研究發(fā)現(xiàn)在松動的假體股骨頭和髖臼內(nèi)襯周圍有一層致密的假關(guān)節(jié)囊,其中的成纖維細(xì)胞和假體-骨界面假膜中的成纖維細(xì)胞同樣具有較強(qiáng)的促骨溶解能力;認(rèn)為假關(guān)節(jié)囊靠近磨損區(qū)域而含有大量磨損顆粒,因此成纖維細(xì)胞受磨損顆粒直接或間接影響而活化。分泌的促炎介質(zhì)通過關(guān)節(jié)液輸送到假體-骨界面,然后這些成纖維細(xì)胞表面表達(dá)的RANKL可誘導(dǎo)單核吞噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化,并隨著關(guān)節(jié)液循環(huán)輸送到假體-骨界面,最終導(dǎo)致骨溶解效應(yīng)。此外還有研究認(rèn)為成纖維細(xì)胞可吞噬直徑小于3μm的磨損顆粒。2.3rakenl/raken/opg系統(tǒng)信號途徑松動的假體周圍有大量的磨損顆粒出現(xiàn),在其界膜內(nèi)有大量的巨噬細(xì)胞和巨細(xì)胞浸潤,松動假體的界膜組織代謝非常活躍,其內(nèi)的細(xì)胞產(chǎn)生多種與骨轉(zhuǎn)換有關(guān)的細(xì)胞因子,如腫瘤壞死因子α、白細(xì)胞介素、巨噬細(xì)胞集落刺激因子、粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子、前列腺素E、RANKL/RANK/OPG系統(tǒng)等,這些細(xì)胞因子通過相互作用,不僅促進(jìn)骨溶解的發(fā)生,而且能增加假體微動,促使更多的磨損顆粒產(chǎn)生,進(jìn)而又刺激相關(guān)細(xì)胞因子的生成,形成惡性循環(huán)。腫瘤壞死因子α:腫瘤壞死因子α是一種介導(dǎo)天然免疫的細(xì)胞因子。目前對磨損顆粒誘導(dǎo)假體周圍骨溶解的研究中,認(rèn)為腫瘤壞死因子α是引起骨溶解的最重要的細(xì)胞因子。磨損顆粒激活巨噬細(xì)胞后釋放腫瘤壞死因子α,能直接或者間接地激活破骨細(xì)胞。腫瘤壞死因子α不僅能通過促進(jìn)已與RANKL作用過的前體細(xì)胞分化為破骨細(xì)胞,激活成熟的破骨細(xì)胞,而且能夠誘導(dǎo)成骨細(xì)胞表達(dá)巨噬細(xì)胞集落刺激因子和RANKL,間接促進(jìn)破骨細(xì)胞的成熟和分化。Sabokbar等研究發(fā)現(xiàn),阻斷RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成途徑時,細(xì)胞因子腫瘤壞死因子α和巨噬細(xì)胞集落刺激因子足以誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的分化,腫瘤壞死因子α和白細(xì)胞介素1之間也可以協(xié)同促進(jìn)骨溶解,提示當(dāng)假體周圍大量磨損顆粒聚集時,腫瘤壞死因子α也可能不通過RANKL/RANK/OPG系統(tǒng)直接誘導(dǎo)骨溶解。Childs等在小鼠顱骨置入鈦顆粒,然后給予腫瘤壞死因子α拮抗劑依那西普,發(fā)現(xiàn)可以明顯抑制鈦顆粒引起的骨溶解及破骨細(xì)胞的生成。通過應(yīng)用腫瘤壞死因子拮抗劑抑制其表達(dá)可防治人工關(guān)節(jié)無菌性松動,也支持腫瘤壞死因子在無菌性松動中發(fā)揮的作用。白細(xì)胞介素:白細(xì)胞介素是巨噬細(xì)胞激活后的常見產(chǎn)物。無菌性松動的假體周圍界膜內(nèi)存在白細(xì)胞介素1、6、8、11、18等。白細(xì)胞介素1通過刺激破骨細(xì)胞的增生,激活破骨細(xì)胞破骨,誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分泌膠原酶和前列腺素,對巨噬細(xì)胞有強(qiáng)烈的趨化作用并刺激其合成和分泌白細(xì)胞介素1而發(fā)揮作用。Yang等通過將攜帶有人白細(xì)胞介素1受體拮抗劑基因的反轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)染小鼠后,發(fā)現(xiàn)其可明顯降低小鼠RANK的水平,證實了白細(xì)胞介素1受體拮抗劑可有效預(yù)防磨損顆粒誘導(dǎo)的骨溶解。此外,Beraudi等通過人工關(guān)節(jié)術(shù)中取滑液,分析白細(xì)胞介素1、1β、6、8、10的表達(dá)水平,發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞介素6、8在人工關(guān)節(jié)翻修術(shù)中的含量顯著高于初次置換術(shù)中,并且在骨折翻修術(shù)和二次翻修術(shù)表現(xiàn)較為相似。可見,白細(xì)胞介素在假體周圍骨溶解發(fā)生中發(fā)揮了較明顯的作用。RANKL/RANK/OPG系統(tǒng):RANKL/RANK/OPG系統(tǒng)是近年來發(fā)現(xiàn)的在破骨細(xì)胞分化過程中的一個重要信號傳導(dǎo)通路。核因子κB受體活化因子配體(RANKL)屬于腫瘤壞死因子家族,是破骨前體細(xì)胞分化為成熟的破骨細(xì)胞的必需因子。核因子κB受體活化因子(RANK)是位于破骨細(xì)胞及其前體細(xì)胞(單核/巨噬細(xì)胞系統(tǒng))表面的Ⅰ型跨膜受體蛋白,與RANKL結(jié)合后可激活前體細(xì)胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng),通過轉(zhuǎn)錄因子啟動特定基因的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的表達(dá),使前體細(xì)胞分化為成熟的破骨細(xì)胞。RANKL與RANK之間的結(jié)合可被骨保護(hù)素(OPG)阻斷。RANKL/OPG的比例協(xié)調(diào)是維持局部骨代謝平衡的關(guān)鍵。RANK激活后可使分化中的破骨細(xì)胞表達(dá)特異性基因,還可使成熟的破骨細(xì)胞執(zhí)行骨吸收功能并維持破骨細(xì)胞的存活,這些作用都是通過激活相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路來實現(xiàn)的。核因子κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對破骨細(xì)胞發(fā)生、分化、成熟、死亡起著重要的作用。松動關(guān)節(jié)假體周圍界膜內(nèi)的RANKL/RANK含量明顯高于骨性關(guān)節(jié)炎滑膜的含量,而骨保護(hù)素的含量無顯著差異,表明在松動假體周圍界膜內(nèi)RANKL/RANK/OPG的表達(dá)失衡,導(dǎo)致局部骨代謝不平衡及骨溶解。韋金忠等通過PDTC抑制核因子κB活化,達(dá)到有效抑制高分子質(zhì)量聚乙烯顆粒誘導(dǎo)的小鼠顱骨模型中破骨細(xì)胞的分化成熟,證實核因子κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與了假體無菌性松動的過程。von-Knoch等在鼠顱骨溶解實驗?zāi)Ｐ椭邪l(fā)現(xiàn)外源性骨保護(hù)素能顯著抑制破骨細(xì)胞而有效預(yù)防超高分子聚乙烯磨損顆粒誘導(dǎo)的骨溶解,有力證明了RANKL/RANK/OPG系統(tǒng)在磨損顆粒誘導(dǎo)的骨溶解中起了重要意義。Caspase的表達(dá)與細(xì)胞凋亡:Caspase是一組存在于細(xì)胞質(zhì)中的蛋白酶,能特異性的切割天冬氨酸殘基后的肽鍵而引起細(xì)胞凋亡。程濤等采用Caspase-3免疫組化染色和TUNEL染色結(jié)果表明,松動-骨溶解組界膜組織的Caspase-3陽性細(xì)胞率和細(xì)胞凋亡指數(shù)均明顯高于松動-非骨溶解組和對照組,差異有顯著性意義(P<0.05);高分子聚乙烯磨損顆粒區(qū)域的Caspase-3陽性細(xì)胞率和細(xì)胞凋亡指數(shù)明顯高于金屬磨損顆粒,重度磨損高于輕度磨損,差異有顯著性意義(P<0.05)。這些結(jié)果均說明磨損顆粒誘導(dǎo)的慢性炎性反應(yīng)與細(xì)胞凋亡存在一定的關(guān)系。3局部細(xì)胞因子及信號傳導(dǎo)途徑的作用機(jī)制雖然關(guān)節(jié)置換技術(shù)日趨成熟,關(guān)節(jié)材料和手術(shù)技術(shù)的改進(jìn)使關(guān)節(jié)的磨損顆粒形成明顯減少,但現(xiàn)階段仍不能完全避免。假體的無菌性松動發(fā)生過程復(fù)雜,宏觀上與關(guān)節(jié)的磨損密切相關(guān),微觀上受局部一些細(xì)胞因子調(diào)控。隨著對這些細(xì)胞因子及信號傳導(dǎo)途徑的研究和認(rèn)識的不斷加深,為預(yù)防假體的無菌性松動提供理論依據(jù)。然而,這些細(xì)胞因子及信號傳導(dǎo)途徑的具體作用機(jī)制和靶點尚無明確的答案,而且這些因子及途徑之間呈相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò),既具有聯(lián)合的協(xié)同作用,又有相互的制約關(guān)系。因此,對這些細(xì)胞因子的認(rèn)識應(yīng)從整體著眼