何忠寶，陸聲，舒鈞

（1.云南省第一人民醫(yī)院骨科，云南昆明 650034；2.昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院骨科，云南昆明 650034）

隨著全球老齡化進(jìn)程加速，全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty,TKA）在骨科手術(shù)的占比越來(lái)越高，成為老年膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的終末治療方式。我國(guó)大陸地區(qū)關(guān)節(jié)置換手術(shù)例數(shù)達(dá)到90 萬(wàn)例，并每年增加將超過(guò)20%［1］；隨著TKA 手術(shù)例數(shù)的大量增加，術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生例數(shù)也呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，如假體松動(dòng)發(fā)生率為20.3%，相應(yīng)翻修手術(shù)數(shù)量也同樣上升［2］。假體松動(dòng)是導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)最主要的原因，同樣也是TKA 術(shù)后翻修的主要適應(yīng)證，其發(fā)展與假體周圍的骨量丟失關(guān)系密切［3，4］。TKA 術(shù)后3 個(gè)月假體周圍骨量開(kāi)始丟失，通常在3 年后逐漸恢復(fù)正常，與手術(shù)技術(shù)（假體配置與力線的偏移程度）、術(shù)后炎性反應(yīng)、微動(dòng)的機(jī)械應(yīng)力和骨重建等因素密切相關(guān)［5］。本文將膝關(guān)節(jié)假體周圍骨量丟失的發(fā)生發(fā)展及預(yù)防進(jìn)行綜述。

1 假體周圍骨量丟失的發(fā)生機(jī)制

1.1 機(jī)械應(yīng)力

導(dǎo)致假體周圍骨量丟失的原因很多，其中機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)骨溶解（mechanically induced osteolysis, MIO)理論已成為該領(lǐng)域的普遍共識(shí)［4］。膝關(guān)節(jié)假體置入初期的早期微動(dòng)對(duì)假體/骨水泥與骨接觸面的穩(wěn)定性具有破壞性［5］，假體或水泥與骨面因力學(xué)傳遞導(dǎo)致靜態(tài)磨損，部分骨小梁斷裂直至溶解，產(chǎn)生骨質(zhì)丟失，界面出現(xiàn)間隙，持續(xù)微動(dòng)導(dǎo)致物理性摩擦進(jìn)一步加重，最終界面間隙增大而出現(xiàn)早期不穩(wěn)定。Goodman［6］研究發(fā)現(xiàn)，骨面骨質(zhì)丟失的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致假體的沉降，需要翻修的概率將呈倍數(shù)增加。影像學(xué)及組織學(xué)研究證實(shí)了MIO 理論，部分TKA 術(shù)后病例在早期骨面形成浸蝕樣改變，呈局灶性骨溶解，溶解區(qū)的進(jìn)展速度與膝關(guān)節(jié)使用頻率及強(qiáng)度，以及骨質(zhì)情況相關(guān)，最終發(fā)展為無(wú)菌性松動(dòng)［7，8］。

在實(shí)驗(yàn)研究中也證實(shí)了機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致骨溶解。在機(jī)械應(yīng)力的刺激下，不僅巨噬細(xì)胞的促進(jìn)骨吸收的細(xì)胞因子表達(dá)量上升，并可以直接誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的分化，微動(dòng)的機(jī)械應(yīng)力可以在短時(shí)間活化破骨細(xì)胞并誘導(dǎo)其骨的吸收能力［9～11］。骨細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)進(jìn)行流體壓力干預(yù)下，通過(guò)RANKL 等關(guān)鍵信號(hào)通路，導(dǎo)致破骨細(xì)胞進(jìn)行聚集并活化，并且在研究中顯示腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α,TNF-α），IL 家族（interleukin 6,IL-6）等炎性因子與骨吸收也存在一定關(guān)系［12～14］。機(jī)械應(yīng)力通過(guò)反復(fù)的微運(yùn)動(dòng)刺激界面的骨組織成分，激活相關(guān)炎癥反應(yīng)及骨細(xì)胞代謝信號(hào)通路，活化破骨細(xì)胞，出現(xiàn)骨溶解，最終導(dǎo)致假體周圍出現(xiàn)骨量丟失，是假體松動(dòng)的分子生物學(xué)基礎(chǔ)。

1.2 假體微粒

膝關(guān)節(jié)假體在前述的機(jī)械應(yīng)力反復(fù)擠壓、摩擦等作用下，會(huì)逐漸形成許多大小不等的假體微粒，而界面顆粒誘導(dǎo)與機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)具有很多的相似性，兩者的發(fā)生有相互促進(jìn)作用，但兩者在本質(zhì)上是不同的［15，16］。關(guān)節(jié)置換術(shù)后均會(huì)產(chǎn)生界面微粒，與髖膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式不同密切相關(guān)［17］。關(guān)節(jié)腔微粒依據(jù)其來(lái)源分為兩種：假體-骨面來(lái)源、假體-假體面來(lái)源。

假體-骨面來(lái)源：假體與骨界面間微動(dòng)。在機(jī)械應(yīng)力-微動(dòng)作用下，界面逐漸出現(xiàn)間隙，界面出現(xiàn)趨向摩擦，聚乙烯材料在氧化作用及摩擦力雙重作用下出現(xiàn)分解，骨面骨小梁出現(xiàn)斷裂，游離吸收，形成很少的微粒，由界面間隙游離至關(guān)節(jié)腔。假體-假體面來(lái)源：膝關(guān)節(jié)假體面之間的相互摩擦，包括假體黏附摩擦、微粒摩擦、假體表面疲勞及電化學(xué)磨損。膝關(guān)節(jié)比髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍大，整體關(guān)節(jié)對(duì)合面更大，脛骨平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)性導(dǎo)致股骨髁表面磨損更為明顯，活動(dòng)的頻率更高，受到的摩擦作用更明顯，關(guān)節(jié)活動(dòng)所產(chǎn)生的聚乙烯微粒更小，更具有生物活性［18］。

膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)呈機(jī)械滾動(dòng)式，非球窩關(guān)系；股骨髁表面在不同膝關(guān)節(jié)體位時(shí)，其摩擦面是不同的，脛骨平臺(tái)假體則需要在不同體位與股骨髁形成接觸，脛骨假體需要對(duì)髁假體60%以上的面產(chǎn)生摩擦［19］，因其接觸的方式基本是點(diǎn)面接觸（髁-平臺(tái)），其摩擦力比髖關(guān)節(jié)球窩的面面接觸更大，接觸的瞬間摩擦力更大，膝關(guān)節(jié)假體和界面的磨損明顯要高于髖關(guān)節(jié)，摩擦力、運(yùn)動(dòng)方式及頻率決定了膝關(guān)節(jié)假體界面微粒的直徑更大，出現(xiàn)界面微粒的時(shí)間更早。

假體微粒形成條件較為復(fù)雜，假體表面的氧化作用也是導(dǎo)致聚乙烯材料分解產(chǎn)生微粒的條件之一，聚乙烯表面的氧化促使其更易在疲勞下出現(xiàn)分解，氧化促進(jìn)了摩擦作用下的微粒產(chǎn)生［20］。膝關(guān)節(jié)假體的表面因機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的微粒大小及數(shù)量與假體設(shè)計(jì)也存在密切關(guān)系。通常在全髖置換中所使用的髖臼杯表面積是TKA 術(shù)中脛骨假體表面積的2 倍，微粒脫落的總數(shù)遠(yuǎn)大于髖關(guān)節(jié)［21］。膝關(guān)節(jié)腔的解剖結(jié)構(gòu)（非嚴(yán)格對(duì)合）具有較高容納性，為顆粒聚集創(chuàng)造了條件。

1.3 炎性反應(yīng)

TKA 的假體為聚乙烯及合金等材料，在體內(nèi)以異物的形式存在，依據(jù)宿主對(duì)其的反應(yīng)，關(guān)節(jié)腔的微粒是TKA 術(shù)后出現(xiàn)炎性反應(yīng)的根本原因。在TKA 中存在與髖關(guān)節(jié)置換一樣的超敏反應(yīng)（遲發(fā)型T 細(xì)胞介導(dǎo)），金屬假體在關(guān)節(jié)液的侵蝕和磨損下均會(huì)釋放金屬離子，其研究結(jié)果表明，這種超敏反應(yīng)導(dǎo)致“過(guò)敏性松動(dòng)”與臨床調(diào)查結(jié)果并不吻合，金屬產(chǎn)生離子并不是假體松動(dòng)關(guān)鍵的原因，其他材料所形成的微粒為其主要因素及基礎(chǔ)［22］。依據(jù)其微粒的來(lái)源、濃度與直徑導(dǎo)致不同的免疫反應(yīng)，相應(yīng)啟動(dòng)損傷相關(guān)的分子模式（damage associated molecular patterns, DAMPs），微生物或病原微生物相關(guān)分子模式（microbe/pathogen-associated molecular patterns, M/PAMP），巨噬細(xì)胞/自然免疫細(xì)胞吞噬機(jī)制。微粒的存在刺激了炎性細(xì)胞或單核-巨噬細(xì)胞，產(chǎn)生大量的趨化因子、細(xì)胞因子、蛋白水解酶及前列腺素E2 等炎性因子，誘導(dǎo)激活破骨細(xì)胞，在界面出現(xiàn)炎性反應(yīng)，炎癥反應(yīng)最終在假體界面形成假滑膜，分泌大量關(guān)節(jié)液，增加界面的流體壓力，刺激破骨細(xì)胞，擴(kuò)大假體周圍的吸收空間［23］。然而基于假體磨損產(chǎn)生的微粒刺激免疫反應(yīng)在界面形成局部骨吸收優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了假體周圍骨丟失及假體松動(dòng)。

對(duì)于不同直徑微粒處理方式不同，25 μm 以內(nèi)的微粒由巨噬細(xì)胞吞噬，＞25 μm 的微粒將由異物巨細(xì)胞包裹，促進(jìn)炎癥介質(zhì)IL-1 的釋放；然而體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)吞噬微粒的巨噬細(xì)胞不會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞毒性，并明顯延長(zhǎng)存活時(shí)間［24］。長(zhǎng)期的炎性反應(yīng)，致使界面出現(xiàn)慢性持續(xù)的炎性細(xì)胞積聚，假體表面因長(zhǎng)期慢性炎癥出現(xiàn)假體抗疲勞性能降低，骨面破骨細(xì)胞大量積聚，促進(jìn)骨小梁的吸收，界面間隙在炎癥反應(yīng)下形成生物膜，間隙不斷擴(kuò)大，骨質(zhì)大量丟失，炎性反應(yīng)誘導(dǎo)大量肉芽組織在界面間隙生長(zhǎng)，因?yàn)榧袤w周圍出現(xiàn)炎癥反應(yīng)，膝關(guān)節(jié)周圍的軟組織可能出現(xiàn)炎癥反應(yīng)的早期癥狀，對(duì)冷熱反應(yīng)及活動(dòng)時(shí)出現(xiàn)不適感，下肢力線隨之出現(xiàn)偏移，為假體松動(dòng)提供了基礎(chǔ)條件。

2 假體周圍骨量丟失的評(píng)估

2.1 癥狀評(píng)估

在假體周圍骨量丟失出現(xiàn)后，使得假體無(wú)法獲得穩(wěn)定固定基座，并且導(dǎo)致假體的位置出現(xiàn)偏移，從而不能維持骨-假體面的穩(wěn)定。在骨量丟失早期并沒(méi)有明顯的癥狀，只是在出現(xiàn)局部微小的炎癥反應(yīng)時(shí)可能表現(xiàn)出極其常見(jiàn)的癥狀，局部感到不適，然而沒(méi)有疼痛等癥狀。隨著骨量丟失的加劇，因溶骨效應(yīng)導(dǎo)致骨小梁斷裂，區(qū)域軟組織炎癥反應(yīng)加重，出現(xiàn)輕微疼痛（隱痛），局部微腫等非典型癥狀。當(dāng)骨量丟失已引起假體開(kāi)始出現(xiàn)松動(dòng)時(shí)，其癥狀具有典型性，疼痛更為明顯，在膝關(guān)節(jié)負(fù)重及活動(dòng)時(shí)加重，休息時(shí)依然存在；膝關(guān)節(jié)活動(dòng)受限，因?yàn)榻缑娴拈g隙已足夠大，假體隨關(guān)節(jié)活動(dòng)出現(xiàn)局部甚至整體滑動(dòng)，膝關(guān)節(jié)較大角度屈伸及旋轉(zhuǎn)均會(huì)受到限制［25］。膝關(guān)節(jié)假體置換后骨量丟失的臨床癥狀并不具有典型性，患者自我發(fā)現(xiàn)和臨床早期診斷非常困難，常需要進(jìn)行輔助檢查以評(píng)估其嚴(yán)重程度。

2.2 影像學(xué)評(píng)估

在TKA 術(shù)后常規(guī)使用DR 進(jìn)行復(fù)查，可以較為清晰地觀察假體狀態(tài)及術(shù)區(qū)骨組織情況，包括界面間隙，但由于其為二維圖像，無(wú)法真實(shí)并全面提供假體周圍的全部影像。CT 及MR 的去金屬偽影技術(shù)不僅可以提供三維圖像，還可以清晰地顯示骨質(zhì)面情況，被用于術(shù)后早期骨量丟失的定性分析［26，27］。定量分析在早期骨量丟失的評(píng)估中不可缺少，能譜成像技術(shù)（gemstone spectral imaging,GSI）通過(guò)多能譜CT 進(jìn)行掃描，GSI 對(duì)骨成分（羥基磷石灰）進(jìn)行定量分析，可以獲得局部的骨密度［28］。

2.3 翻修評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

骨量丟失相關(guān)的假體不穩(wěn)癥狀及關(guān)節(jié)功能丟失已嚴(yán)重影響日常生活時(shí)，常規(guī)需要進(jìn)行膝關(guān)節(jié)翻修，以改善癥狀并恢復(fù)關(guān)節(jié)功能。安德森骨科研究所標(biāo)準(zhǔn)（Anderson Orthopaedic Research Institute, AORI）普遍被全球骨科關(guān)節(jié)外科醫(yī)生認(rèn)可［29］，膝關(guān)節(jié)翻修標(biāo)準(zhǔn)的分類以股骨和脛骨的骨質(zhì)丟失為主要依據(jù)，依據(jù)不同情況進(jìn)行假體翻修，補(bǔ)充骨缺損，修復(fù)韌帶。

3 假體周圍骨量丟失的預(yù)防

假體周圍骨量丟失常常在術(shù)后3～6 個(gè)月才可以在影像學(xué)體現(xiàn)，然而在手術(shù)過(guò)程中與術(shù)后康復(fù)開(kāi)始后均有關(guān)節(jié)腔微粒形成。機(jī)械應(yīng)力發(fā)生于術(shù)后康復(fù)的開(kāi)始。骨量丟失在嚴(yán)格意義上是界面出現(xiàn)微動(dòng)后，局部骨小梁斷裂，破骨細(xì)胞激活，骨吸收即開(kāi)始。然而行TKA 的患者年齡常在50 歲以上，且伴隨全身骨量減少/骨質(zhì)疏松，所以在假體置入后更易出現(xiàn)假體骨量丟失，目前常需要補(bǔ)充鈣劑等方法來(lái)預(yù)防假體周圍骨量丟失。

3.1 手術(shù)技術(shù)

TKA 手術(shù)目的是恢復(fù)膝關(guān)節(jié)功能，不僅需要在解剖結(jié)構(gòu)上進(jìn)行力線恢復(fù)，還需要進(jìn)行軟組織平衡恢復(fù)。研究表明，軟組織平衡將很大程度上減少因關(guān)節(jié)假體力學(xué)原因引起的磨損與微動(dòng)而導(dǎo)致的界面不穩(wěn)定程度，從而降低骨量丟失的風(fēng)險(xiǎn)［30］。伸直位下股骨與脛骨進(jìn)行假體置入，并未考慮TKA 患者膝關(guān)節(jié)的水平位置已經(jīng)喪失（外翻/內(nèi)翻），在不考慮軟組織平衡的情況下進(jìn)行膝關(guān)節(jié)假體在解剖位置安裝會(huì)導(dǎo)致后期關(guān)節(jié)面磨損及界面應(yīng)力增加［31］。并且在手術(shù)過(guò)程中，骨水泥的使用和假體的握持會(huì)導(dǎo)致微粒的出現(xiàn)，特別在骨水泥溢出區(qū)域，增加了關(guān)節(jié)液與骨水泥的接觸面積，同樣截骨面被認(rèn)為也是一個(gè)影響因素，過(guò)多的截骨面會(huì)導(dǎo)致松質(zhì)骨直接暴露于關(guān)節(jié)液，侵蝕后釋放微粒將會(huì)更為明顯，增加了術(shù)后假體周圍骨量降低的風(fēng)險(xiǎn)［32］。手術(shù)個(gè)性化，假體材料與設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，以及從解剖到功能的理念不斷提升，將有效預(yù)防假體周圍的骨量丟失。

3.2 非手術(shù)治療技術(shù)

不僅術(shù)前患者體重與膝關(guān)節(jié)慢性損傷關(guān)系密切，術(shù)后體重也是參考因素，TKA 的患者肥胖占很大比例，術(shù)后不進(jìn)行體重管理將是對(duì)假體微動(dòng)及摩擦最大的考驗(yàn)［33］。藥物治療主要使用在TKA 的圍手術(shù)期，較為常用的雙磷酸鹽通過(guò)干預(yù)RANKL 通路進(jìn)行，抑制破骨細(xì)胞，降低破骨細(xì)胞的功能，減少骨量的丟失，對(duì)預(yù)防骨質(zhì)流失有很好的效果［34］。部分TKA 患者合并骨質(zhì)疏松，在圍手術(shù)期進(jìn)行抗骨質(zhì)疏松治療將有效預(yù)防假體周圍骨量丟失，并減少假體松動(dòng)的發(fā)生［35］。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的手段進(jìn)行深入研究，更多的方式將用于骨量丟失的預(yù)防性治療。目前干細(xì)胞技術(shù)成為治療骨缺損的熱點(diǎn)，在TKA 翻修前是否可以進(jìn)行搶救性治療仍需等待研究結(jié)果。

綜上所述，膝關(guān)節(jié)假體周圍骨量丟失與機(jī)械力學(xué)、假體材料及設(shè)計(jì)、炎性反應(yīng)及微粒形成等均密切相關(guān)，其預(yù)防及治療措施目前仍不充分，為了從簡(jiǎn)單的解剖性假體置換轉(zhuǎn)變成運(yùn)動(dòng)功能性置換，改變手術(shù)理念、創(chuàng)新手術(shù)技術(shù)（機(jī)器人輔助）、圍手術(shù)期綜合管理及治療等均需要進(jìn)一步研究及驗(yàn)證，從而恢復(fù)膝關(guān)節(jié)生理學(xué)運(yùn)動(dòng)，最終創(chuàng)造出更合宜的整體治療方案。