張曉非，呂震，王小泉，劉軍

關(guān)節(jié)置換術(shù)是目前多種終末期關(guān)節(jié)疾病最為有效的治療手段，但有多種原因可導(dǎo)致假體失效，例如感染、松動(dòng)、假體周圍骨折、假體損壞及脫位等，關(guān)節(jié)翻修手術(shù)將使患者承擔(dān)巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重者甚至需行截肢手術(shù)。以膝關(guān)節(jié)為例，綜合各國關(guān)節(jié)登記系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，假體無菌性松動(dòng)是翻修手術(shù)的首要原因，約占全部翻修手術(shù)的29.8%；其中第1 個(gè)建立人工關(guān)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(dòng)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(guān)節(jié)外科研究的熱點(diǎn)。對于該現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)制，國內(nèi)外學(xué)者提出的理論包括：應(yīng)力遮擋、磨損微粒反應(yīng)、內(nèi)毒素反應(yīng)、免疫反應(yīng)、個(gè)體基因易感性等。本文對以上各觀點(diǎn)的生物學(xué)機(jī)制進(jìn)行綜述，為后續(xù)研究及臨床應(yīng)用提供參考。

1 應(yīng)力遮擋對骨組織代謝的影響

應(yīng)力遮擋是指當(dāng)2種及以上具有不同剛度的材料共同承載外力時(shí)，剛度較高的材料承擔(dān)較多的載荷，而剛度較低的材料則承載較低的載荷。應(yīng)力遮擋對骨折愈合的影響一直是創(chuàng)傷骨科討論的熱點(diǎn)，近年來其在關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域也愈發(fā)重要。成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞可以通過感受力學(xué)刺激對骨的生長和吸收進(jìn)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(xì)胞發(fā)揮功能，促進(jìn)骨生成；否則均可導(dǎo)致骨代謝的異常。在人工關(guān)節(jié)置換術(shù)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(gè)受力整體上，假體會(huì)承擔(dān)大部分應(yīng)力，因此骨組織承擔(dān)的應(yīng)力會(huì)有一部分被假體所遮擋，進(jìn)而造成骨量丟失，當(dāng)然這也與假體設(shè)計(jì)、關(guān)節(jié)發(fā)育個(gè)體差異以及醫(yī)師的手術(shù)操作情況有關(guān)。以膝關(guān)節(jié)為例，有研究發(fā)現(xiàn)股骨遠(yuǎn)端的應(yīng)力遮擋來源于髕骨對股骨的壓縮及剪切應(yīng)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(yuǎn)端及后髁部位則不明顯；且膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后由于力線的糾正，脛骨平臺(tái)內(nèi)、外側(cè)的應(yīng)力重新分布，術(shù)后隨訪觀察發(fā)現(xiàn)應(yīng)力降低的一側(cè)骨密度降低，而應(yīng)力升高的一側(cè)骨密度增高［2］。當(dāng)然目前的假體仍不能避免應(yīng)力遮擋的影響，但隨著假體設(shè)計(jì)、連接方式以及假體材質(zhì)的改進(jìn)，其對骨代謝的影響也會(huì)隨之改善，另外應(yīng)力遮擋帶來的骨代謝變化是否為導(dǎo)致假體松動(dòng)的始動(dòng)原因尚需進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

2 磨損顆粒對骨組織代謝的影響

磨損顆粒來源于關(guān)節(jié)活動(dòng)過程中人工關(guān)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(yīng)的發(fā)生及周圍細(xì)胞的生物學(xué)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(xué)活性，其被巨噬細(xì)胞吞噬后會(huì)引發(fā)一系列細(xì)胞因子的釋放［4］。微粒會(huì)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(yīng)刺激破骨細(xì)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(yīng)影響破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞的代謝。骨組織代謝主要由破骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞來完成，破骨細(xì)胞由單核-巨噬細(xì)胞系的破骨細(xì)胞前體細(xì)胞分化而來，而成骨細(xì)胞來源于間充質(zhì)干細(xì)胞。正常生理?xiàng)l件下，破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞的動(dòng)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(dòng)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(xì)胞、成纖維細(xì)胞等炎癥相關(guān)細(xì)胞，并且腫瘤壞死因子（TNF）-α、白細(xì)胞介素（IL）-1β、IL-8、IL-6 等炎性細(xì)胞因子數(shù)量明顯增高，巨噬細(xì)胞可在磨損顆粒和細(xì)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(xì)胞作為經(jīng)典活化的巨噬細(xì)胞，其主要作用是促進(jìn)炎癥反應(yīng)［8］。磨損顆粒作為體內(nèi)異物，首先被巨噬細(xì)胞識(shí)別并吞噬，巨噬細(xì)胞同時(shí)釋放多種細(xì)胞因子誘導(dǎo)炎癥級聯(lián)反應(yīng)吸引并募集更多巨噬細(xì)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(xì)胞因子會(huì)刺激破骨細(xì)胞前體細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化［9-10］。

2.1.1 磨損顆粒造成的信號通路變化 破骨細(xì)胞分化過程極其復(fù)雜，涉及多個(gè)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(hù)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(xì)胞表達(dá)RANKL及OPG，破骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞前體細(xì)胞表達(dá)RANK。RANK與RANKL結(jié)合會(huì)促進(jìn)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化以及成熟破骨細(xì)胞的活化，同時(shí)還能抑制破骨細(xì)胞的凋亡。同時(shí)OPG 與RANKL存在競爭性結(jié)合，可阻斷RANKL 與RANK 的結(jié)合，同時(shí)誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡，從而防止過度骨吸收［11］。目前研究已證實(shí)RANKL 大量存在于含有磨損顆粒的組織中，磨損顆粒會(huì)激活核因子（NF）-κB通路，促進(jìn)假體周圍組織中破骨細(xì)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(xì)胞促炎癥反應(yīng)信號通路中的觸發(fā)器，TLR-2及TLR-4均可誘導(dǎo)RANKL的表達(dá)，促進(jìn)破骨細(xì)胞前體向破骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化。骨髓分化因子-88（MyD88）作為信號傳導(dǎo)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(xì)胞的生成。MyD88在假體無菌性松動(dòng)患者中表達(dá)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(xì)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(dǎo)致IL-1 表達(dá)顯著上調(diào)，從而促進(jìn)RANKL 的產(chǎn)生，刺激破骨細(xì)胞的生成。體外實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)p38MAPK 通路抑制劑可阻斷RANKL 誘導(dǎo)生成破骨細(xì)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(shí)在骨溶解現(xiàn)象中具有重要作用［15］。另有研究表明，磨損顆粒可刺激假體周圍界膜中高表達(dá)血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）及其受體，VEGF 相關(guān)通路主要起到刺激血管新生的作用，但是應(yīng)用酪氨酸激酶抑制劑干擾VEGF 后，破骨細(xì)胞分化被抑制，提示VEGF 相關(guān)信號通路與骨代謝關(guān)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(xì)胞、中性粒細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等產(chǎn)生，其生理作用主要包括降解膠原、細(xì)胞外基質(zhì)、黏蛋白等，各種炎性細(xì)胞因子可影響MMPs的表達(dá)和激活。除參與炎癥反應(yīng)外，MMPs 還參與誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的分化成熟，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)抑制MMP-9基因的表達(dá)可阻斷細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK）相關(guān)信號通路，進(jìn)而抑制破骨細(xì)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(xì)胞增殖及分化的影響 磨損顆粒同樣可通過成骨細(xì)胞發(fā)揮作用，磨損顆?？梢种乒沁B接素、骨鈣素等骨生成作用相關(guān)分子的表達(dá)，且可通過誘導(dǎo)NF-κB活化和IL-6的釋放破壞膠原的合成，以及減少成骨細(xì)胞基質(zhì)的產(chǎn)生來抑制成骨細(xì)胞的增殖［18-19］。當(dāng)巨噬細(xì)胞被磨損顆粒激活后，可刺激成骨細(xì)胞釋放巨噬細(xì)胞集落刺激因子（GM-CSF）和RANKL，兩者均是促進(jìn)破骨細(xì)胞分化及成熟的核心細(xì)胞因子［20］，可增加下游相關(guān)基因的表達(dá)，如端粒酶調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白（TRAP）、樹突狀細(xì)胞-特異性跨膜蛋白（DC-STAMP）、c-Fos和活化T細(xì)胞核因子1（NFATc1）等，促使破骨細(xì)胞前體細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化［21-22］。

2.2 磨損顆粒對細(xì)胞凋亡的影響 細(xì)胞凋亡是通過激活凋亡基因使細(xì)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(dǎo)細(xì)胞凋亡現(xiàn)象的Caspase 家族及p53 基因等活性片段，證實(shí)了假體周圍存在活躍的細(xì)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(xì)胞代謝的影響不同，例如納米級粒子會(huì)影響成骨細(xì)胞的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)，造成成骨細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變，從而影響成骨細(xì)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?？缮险{(diào)成骨細(xì)胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激蛋白的表達(dá)，提高內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)。有研究證實(shí)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)可與多個(gè)細(xì)胞凋亡通路相偶聯(lián)，進(jìn)而抑制成骨細(xì)胞的分化、成熟，但應(yīng)用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激蛋白抑制劑后，成骨細(xì)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(yīng)激介導(dǎo)了成骨細(xì)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(dǎo)致凋亡的具體基因表達(dá)及信號傳導(dǎo)過程尚未明確，但可以認(rèn)為磨損顆粒通過抑制破骨細(xì)胞凋亡同時(shí)促進(jìn)成骨細(xì)胞及基質(zhì)干細(xì)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(xì)菌碎片產(chǎn)物，最常見的是革蘭陰性菌細(xì)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(dāng)細(xì)菌死亡溶解或用人工方法破壞菌細(xì)胞后才釋放出來，故被稱為內(nèi)毒素。內(nèi)毒素并不會(huì)造成臨床感染征象，其效應(yīng)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(dòng)不可忽視的原因之一。內(nèi)毒素可存在于術(shù)中、術(shù)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(shù)器械表面殘余的細(xì)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(xì)菌，如大腸桿菌，當(dāng)人體因?yàn)閯?chuàng)傷、手術(shù)等應(yīng)激引起腸黏膜屏障功能受損時(shí)，可導(dǎo)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(xì)菌感染，即使是亞臨床濃度的細(xì)菌攜帶者，雖然無明顯臨床癥狀及陽性實(shí)驗(yàn)室檢查指標(biāo)，但極微量的細(xì)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(xué)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(guān)節(jié)置換手術(shù)中，內(nèi)毒素可通過手術(shù)器械、植入物、術(shù)后血行散播等方式殘留在假體周圍。人工關(guān)節(jié)置換后假體松動(dòng)患者大多無臨床感染表現(xiàn)，但通常可在其松動(dòng)假體標(biāo)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(xì)胞的炎癥反應(yīng)，炎性細(xì)胞因子的表達(dá)量較未經(jīng)處理組降低50%～70%，且其對巨噬細(xì)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(dǎo)內(nèi)毒素應(yīng)答的主要受體，廣泛分布于宿主防御細(xì)胞上，如巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、粒細(xì)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(jié)合蛋白結(jié)合，后與細(xì)胞表面的CD14 分子結(jié)合，激活TLR4-CD14信號傳導(dǎo)通路，進(jìn)一步激活NF-κB和p38MAPK信號通路，從而促進(jìn)各種炎性因子及趨化因子的表達(dá)，調(diào)控骨細(xì)胞的增殖、分化及凋亡過程［27-28］。內(nèi)毒素激活效應(yīng)細(xì)胞的過程極其復(fù)雜，其具體機(jī)制尚未完全明確，但可以確定的是內(nèi)毒素導(dǎo)致的一系列細(xì)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(yīng)及個(gè)體基因差異對骨組織代謝的影響

目前有關(guān)淋巴細(xì)胞在假體松動(dòng)現(xiàn)象中的作用尚存爭議，有研究發(fā)現(xiàn)松動(dòng)假體周圍界膜中T 淋巴細(xì)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(xì)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(yīng)［31］，通過激活輔助T 淋巴細(xì)胞釋放一系列炎性細(xì)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(dǎo)致炎癥反應(yīng)進(jìn)行性加重，最終造成骨溶解［32］。這種獲得性免疫反應(yīng)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(yīng)相混淆。由于獲得性免疫反應(yīng)與先天性免疫反應(yīng)發(fā)揮作用的主要細(xì)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(yīng)答的產(chǎn)生是由植入物造成的獲得性免疫反應(yīng)還是磨損微粒刺激巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的先天性免疫反應(yīng)，仍有待進(jìn)一步研究證實(shí)［33］。另外，有研究表明遺傳學(xué)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(gè)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(shù)后骨溶解的發(fā)生率及嚴(yán)重程度均較高，其原因可能與該人群對炎癥刺激的反應(yīng)是優(yōu)先表達(dá)促炎因子而不是抗炎因子有關(guān)，但其具體機(jī)制尚不明確［35］。雖然不能排除術(shù)者的技術(shù)及假體設(shè)計(jì)的影響，但個(gè)體遺傳差異與骨溶解現(xiàn)象的關(guān)系亦不容忽視。

5 問題與展望

關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體周圍骨溶解現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)制極其復(fù)雜，目前多種相關(guān)學(xué)說尚處在實(shí)驗(yàn)階段，且未達(dá)成共識(shí)。另外，對于骨溶解現(xiàn)象尚無有效的生物學(xué)檢測指標(biāo)，無法進(jìn)行早期干預(yù)治療，并且無法有效評估治療效果，故當(dāng)患者出現(xiàn)明顯松動(dòng)癥狀而就診時(shí)，通常已無法保留原假體，只能依靠翻修手術(shù)恢復(fù)關(guān)節(jié)功能。對于控制骨溶解現(xiàn)象，首先必須改進(jìn)假體的材料設(shè)計(jì)及固定技術(shù)，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(jìn)骨生成和抑制炎癥反應(yīng)，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(guān)節(jié)置換術(shù)后假體周圍骨溶解現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)制，尋找有效的生物標(biāo)志物及藥物治療靶點(diǎn)仍是關(guān)節(jié)外科亟待解決的難題之一。