膝關節骨性關節炎軟骨退變與軟骨下骨形態學改變的相關性研究

馬海濤 王維山 董金波 史晨輝

膝關節骨性關節炎( osteoarthritis，OA) 是最常見的一種關節疾病，也是導致老年人關節功能障礙最主要的原因［1］。OA 不僅僅是關節軟骨的病變，常常累及關節的所有組織，如軟骨下骨、周圍軟組織的肌肉和韌帶等［2］。目前沒有有效的治療及藥物可延緩OA 的病程，在晚期只能采取全膝關節置換術( total knee arthroplast，TKA) ，給患者及其家庭帶來沉重的經濟負擔［3］。

過去認為關節軟骨的改變是骨性關節炎主要的病變，但隨著對骨軟骨結構和功能的深入研究，所有關節結構包括軟骨下骨、骨小梁、關節囊等都會受到影響。自1986 年Radin 等［4］首次提出軟骨下骨可能在軟骨退變的開始及進展中起作用后，目前對軟骨下骨的研究已成為焦點之一。因此，研究骨性關節炎病程中軟骨下骨的結構特點，有助于進一步了解骨性關節炎的發病機制，從而為骨性關節炎的預防和治療提供新的思路。

材料與方法

1.樣本的獲取：篩選石河子大學第一附屬醫院2012 年11月～2013 年11 月期間行TKA 治療的30 例膝關節OA 患者，術前排除創傷致殘、腫瘤致殘、類風濕關節炎致殘等其他膝關節疾病。標本均為手術過程中獲取，其中，男性12 例12 膝，女性18 例18 膝，患者年齡50 ～75 歲，病程10 年以上。將樣本編號，-20℃冰箱保存以備掃描。

2.主要儀器和設備Micro -CT 系統： 儀器為Bruker 公司的Skyscan1176 小動物活體成像系統，分辨率模式為9、18、35μm，圖像處理軟件為系統配置的CT - analyzer、CTvol 和CTvox。

3.大體觀察：收集膝關節置換術后脛骨平臺新鮮標本30個，分別觀察內外側平臺的軟骨顏色、光澤度和形態，樣本表面有無云翳樣結構、破潰，有無軟骨下骨暴露、象牙化結果和骨贅生物形成等。

4.Micro-CT 掃描：將切取外側和內側共計60 個組織塊平置于Micro -CT 系統( Skyscan1176，Bruker 公司) 的掃描床內，膠帶固定以防止標本移動。沿標本的長軸方向掃描，獲取連續的Micro - CT 圖像。掃描參數設置為： 掃描分辨率18μm，旋轉角度360°，旋轉角增量0.7°，管電壓65 kV，管電流379μA，掃描時間18min，對同一樣品獲得500 張不同截面1024×1024 像素圖片。手動方式將脛骨平臺外側和內側骨組織作為興趣區域( region of interest，ROI) 進行三維重建，重建灰度值為0 ～0.05。利用軟件CTdataviewer 和CTan、CTvol 進行定量分析以及三維重建處理( 圖2) 。

5.參數測量：用Micro-CT 系統自帶的CTan 軟件包進行三維空間參數分析，所檢驗的參數包括骨小梁體積分數( bone volume fraction BVF) ，即骨小梁的體積( bone volume BV) 除以樣本的體積( total volume TV) ，以百分數( %) 表示； 骨小梁厚度Tb.Th) ，即以距離轉換方式將填充骨小梁結構的最大球體直徑的平均值，以微米( μm) 表示； 骨小梁數量( trabecular number Tb.N) 為所觀察結構中軸的平均距離的反函數，即填充骨性結構的平均球體直徑的倒數，以毫米-1( mm-1) 表示；比較外側和內側區域骨小梁的結構參數。

結 果

1.肉眼觀察大體形態圖：內側平臺可見軟骨表面潰瘍，軟骨部分缺失，軟骨下骨暴露； 與內側平臺相比，外側平臺軟骨表面相對完整，軟骨表面無缺失，有少量淺表潰瘍，軟骨下骨無暴露。脛骨平臺內側軟骨退變較外側平臺明顯，詳見圖1。

2.樣本的Micro -CT 圖像特征： 采用Micro -CT系統CTan 軟件對選定區域和層厚范圍的骨小梁進行三維結構重建和三維參數分析。三維圖形重建的結果顯示內側區的小梁結構散亂，骨小梁結構和連續性喪失。OA 樣本的三維分析結果表明，與外側區相比，內側平臺骨小梁體積分數( BV/TV) 、骨小梁厚度( Tb.Th) 、骨小梁數目( Tb. N) 均有明顯的增加( P ＜0.05) ，而骨小梁間距( Tp.Sp) 是降低的( P ＜0.05，表1) 。

討 論

膝關節骨性關節炎是一種慢性的關節疾病，其主要病理改變是關節軟骨的退行性改變和骨質增生［5］。OA 的病程發展緩慢，診斷明確時都已到病程的晚期。OA 的病因是復雜的，受多種因素的影響，但是OA 最終都以關節軟骨的退變為共同特征。然而，不論是在人類骨性關節炎還是動物的OA 模型中，OA 的發生率都與軟骨下骨的重塑有關［6，7］。

圖2 樣本的Micro-CT 圖像特征

表1 內外側脛骨平臺骨小梁結構參數比較

軟骨下骨位于關節軟骨下方，包括軟骨下骨板和其下方的骨小梁。軟骨下骨板構成關節軟骨最深層的區域，包括鈣化層，皮質終板。鈣化層與透明軟骨被潮線隔開。軟骨下骨為其上覆蓋的關節軟骨提供機械支持和營養供應，軟骨下骨和關節軟骨作為一個功能單位共同維持著關節結構和功能的完整性［8，9］。軟骨下骨沒有一個明確的解剖界限，因此增加了軟骨下骨性質研究的難度。Radin 等［4］1986 年提出軟骨下骨硬化不僅僅是軟骨退變后的繼發性改變，他認為軟骨下骨硬化改變了軟骨下骨的機械力學性能，使軟骨下骨吸收震蕩、緩沖應力的能力減弱，導致其上方軟骨承受異常增大的應力而容易發生退變［4］。在短尾猴的動物實驗中，也發現內側脛骨平臺軟骨下骨的硬化導致了其上關節軟骨的破壞［10］。根據目前的研究，被破壞的關節軟骨又會反過來影響其下軟骨下骨的結構，從而形成了OA 關節結構破壞的惡性循環［11］。軟骨下骨重塑在OA 的發展從早期的骨吸收增加，骨增生，最終導致軟骨下骨硬化。在靈長類動物的OA 模型中，類骨質體積的增加遠比軟骨改變嚴重。雖然在OA 動物模型中，通過對疾病進展不同時期的觀察，軟骨下骨重塑可能發生在軟骨退變之前，但對于人而言，還有待驗證［12］。

在OA 病程中，軟骨下骨的結構變化包括骨轉換率增加，微骨折的出現，血管的再生以及后期軟骨下骨的硬化。在組織病理學中，潮線復制，透明軟骨變薄，新生血管從軟骨下骨進入鈣化層，最終導致軟骨下骨厚度增加［13，14］。這些改變引起其上覆蓋的關節軟骨生物力學性質的變化［15］。此外，在OA 發展過程中，每個軟骨下骨解剖區域都可能會發生不同的改變。因此，軟骨下骨的變化在OA 病程中起著十分重要的作用。臨床上選取的脛骨平臺都是膝關節OA晚期行全膝關節置換術的患者，缺乏膝關節OA 早期患者的脛骨平臺。但是，同一患者內外側平臺所處的OA 病程是不一致的，膝關節OA 并內翻畸形患者的外側脛骨平臺處于OA 病程的早期［15］。本實驗所觀察到的外側脛骨平臺標本軟骨基本完整，而內側平臺軟骨大面積缺失，軟骨下骨暴露。使用Micro -CT 掃描分析脛骨平臺內外側平臺，發現相較于外側脛骨平臺，內側脛骨平臺軟骨下骨出現硬化，骨小梁體積分數，骨小梁厚度及骨小梁數目都是增多的，而骨小梁分離度是減小的。

軟骨下骨在OA 發病過程中的先導作用尚未確定，但目前的研究都提示它可能加快了OA 進展過程，促進了軟骨損傷、退變。因此，在OA 治療時既應該針對關節軟骨，同時也應關注軟骨下骨病變。目前對OA 的治療主要是減輕疼痛，改善關節功能，盡可能地延遲手術治療。到目前為止，沒有發現有效的藥物可以明顯地阻止OA 的進展。同其他風濕類的疾病一樣，需要找到能可靠改變OA 病情的藥物，以阻止關節軟骨的破壞。現有的藥物包括抗重新收藥物，如雌激素、選擇性雌激素受體調節劑、二磷酸鹽等抗骨質疏松類的藥物。總之，軟骨下骨在骨性關節炎發病機制中的作用已經成為當前OA 研究領域的熱點。恢復軟骨下骨的動態平衡被認為是非常有前途的一項研究項目。

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