金屬離子在骨溶解中作用的研究進展*

陳金財(綜述)，姬廣林(審校)

(贛南醫學院　1.2014級碩士研究生；2.第一附屬醫院骨科，江西　贛州　341000)

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金屬離子在骨溶解中作用的研究進展*

陳金財1(綜述)，姬廣林2(審校)

(贛南醫學院1.2014級碩士研究生；2.第一附屬醫院骨科，江西贛州341000)

目前骨溶解和無菌性松動仍然是假體植入失敗的主要原因。金屬離子是骨溶解的主要發起者之一，它們使關鍵的炎性細胞因子濃度增加，刺激破骨細胞，促成了骨溶解和無菌性松動的發生。本文主要對金屬離子在骨溶解中扮演炎癥發起者的作用作一綜述。

金屬離子;骨溶解;關節置換

過去30年間，人工關節置換術取得了巨大的進步，能更好的恢復患者自主活動，緩解疼痛，提高了數百萬人的生活質量[1]。目前，大多數人工關節置換用于治療骨性關節炎、股骨頭壞死等[2]。伴隨著越來越多的人接受關節置換，關節翻修的人數也大幅增加，在幾種常見的導致關節置換術后翻修的病因中，骨溶解是最常見的，占75%；另外，感染占7%，復發性脫位占6%，假體周圍骨折占5%，手術操作失敗占3%[3]。因此，了解骨溶解及其病理生理對于治療人工關節無菌性松動是非常重要的。

未來治療人工關節無菌性松動的方案包括改善植入物的設計，用藥物靶向性抑制磨損顆粒以及金屬離子誘導的生物級聯反應，以此來降低骨溶解的發生，進而延長假體的使用年限[4]。這些治療方案的目的是減少手術翻修率，然而，這些治療理念并不完美，他們沒有成功預防骨溶解[4]。對其進一步深入的研究已迫在眉睫。

1　磨損顆粒的產生及毒性

磨損顆粒是由機械的剪切力以及關節面之間的摩擦，最終磨損了植入的假體產生的[5]。關節腔中磨損顆粒產生的量是多個變量共同作用的結果。有研究報道稱，髖臼角度的增加，有助于關節腔中產生更多的磨損顆粒以及在關節腔中循環的金屬成分[5]。然而，也有一些報道稱髖臼傾斜的角度與金屬磨屑和離子的釋放沒有多大關系[6]。隨著時間的推移，關節腔中產生的磨損顆粒不能被免疫系統清除，刺激巨噬細胞及破骨細胞，最終引起炎癥反應，進而引起關節松動[7]。目前被報道的引起骨溶解的磨損顆粒包括骨水泥，金屬，聚乙烯，陶瓷關節面，內固定材料以及表面涂層[8]。

在金屬顆粒諸多性狀中，如不同成分，濃度，形狀，大小等，顆粒的大小似乎有更大的生物學效應[9]。特別是當每個細胞中磨損顆粒濃度為10～100 μm3時，其活性是最強的；此外，90%的顆粒大小小于10 μm的細胞毒性較小，從而更容易被巨噬細胞吞噬，并啟動免疫反應導致骨溶解和骨吸收；不被吞噬的磨損顆粒是沒有能力刺激巨噬細胞分泌炎癥因子的，因此臨床相關的磨損顆粒的大小為0.1～10 μm[9]。

2　離子釋放機理

不銹鋼、鈷-鉻-鉬，純鈦，鈦合金(TiAl6V4)，鈦-鎳是經常使用的生物材料，因為其具有高耐腐蝕性和持久性。金屬有很高的耐腐蝕性與他們表面氧化膜有關。這層表面的氧化膜是重要的離子釋放抑制劑。當離子被釋放時，它們必須遵循電化學規律進行。該規律規定當離子被釋放時，整個過程中必須有一個相等的電子轉移量。此外，為了離子的釋放，表面的氧化膜必須被破壞。大量回顧性的研究已經通過記錄表面氧化膜組成的改變，證實了這種破壞確實存在。其他的假體周圍的電解質或生物分子也可能影響離子的釋放，因為他們有能力攜帶電子。在金屬假體的周圍環境中氨基酸，蛋白質，溶解氧，無機離子，以及細胞都有助于加速金屬離子的釋放。人體內pH值的變化，也是一個潛在的離子釋放加速器。在那些離子進入人體更頻繁的地方，金屬離子被釋放也相對容易。整個過程中表面的氧化膜起到阻礙其釋放出來的作用[10]。

表面氧化膜破壞后，通過陽極溶解和過敏反應，允許離子釋放到周圍的環境中。陽極溶解是金屬離子釋放和金屬離子返回假體的一個動態過程，金屬離子的釋放和返回同時發生。對于最終發生的金屬離子的釋放，整個過程中金屬離子的釋放必須比返回更快的進行。這些生物材料的電勢變化通常很小，因此，金屬離子的釋放通常是比較緩慢的。在過敏反應過程中，巨噬細胞粘附在金屬假體表面直接識別金屬假體為一種異物，啟動級聯炎癥反應[10]。

3　金屬離子與免疫反應

3.1炎癥級聯反應磨損顆粒和金屬離子引起的免疫反應尚未完全闡明。目前被大家認可的骨溶解仍然是開始于關節表面的機械磨損。因磨損而產生磨損顆粒被巨噬細胞吞噬，從而通過不同的機制刺激破骨細胞，導致骨吸收[11]。這些刺激破骨細胞的機制包括趨化因子和細胞因子的釋放，誘導蛋白酶的表達增加，巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)表達增加，成骨細胞的抑制或者凋亡，RANK配體過度表達以及其他一些機制[9，12-16]。

巨噬細胞釋放的主要趨化因子包括單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)、巨噬細胞炎癥蛋白-1a(MIP-1a)、趨化因子配體-18(CCL-18)等，這些趨化因子將破骨細胞和假體周圍組織聯系在一起[12，17]。巨噬細胞釋放的主要細胞因子包括前列腺素E2(PGE2)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白介素-1β(IL-1β)和白細胞介素-6(IL-6)等，它們引起受體激活因子-κB配體(NF-κB)或NF-κB 受體激活因子(RANK)配體的釋放[12，18-19]。金屬離子對這些炎癥因子起著不同的調節作用，例如，Nikki等[20]發現金屬離子鎳(Ni)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鐵(Fe)能增強IL-1β、IL-6和TNF-α的表達，以及提高RANK配體的DNA結合活性。RANK配體結合到位于破骨細胞的RANK受體上，而引起骨吸收[21]。金屬離子鈦(Ti)，鈷(Co)，鉻(Cr)也被證明能刺激IL-1β、TNF-α和IL-6的釋放[22]。此外，TNF-α被認為是一個關鍵的發起者，因為TNF-α能刺激RANK配體導致破骨細胞激活[23]。在相同濃度下，鉬暴露產生炎癥反應最弱，鉻產生的炎癥反應最強，其次是鈷和鎳(Cr>Co>Ni>Mo)[14]。

3.2鈦誘導炎癥級聯反應和過敏反應常見的髖關節假體的鈦合金包括鈦合金(TiAl6V4)，鈦318，和鈦350[24]，而鈦假體釋放的離子大多數是鈦(IV)[25]。已經觀察到這些鈦離子促進鈦特定的 T細胞分化成IL-4分泌Th2細胞，而樹突細胞暴露于鈦離子中增強了鈦特定的 T淋巴細胞增殖[15]。樹突狀細胞是適應性免疫系統的一部分[25]，鈦暴露于這些細胞中，導致細胞因子IL-12顯著增加；細胞因子IL-10,、轉化生長因子-b1(TGF-b1)和轉化生長因子-b2(TGF-b2)的產生大大降低；細胞因子IL-1β、IL-4、IL-6、TNF-α、轉化生長因子-b3(TGF-b3)的產生不受影響，重要的是，IL-12刺激Th1反應，同時IL-10抑制Th1反應，因此樹突狀細胞暴露于鈦離子中，會增強Th1免疫反應[15]。

大量的鈦(Ti)顆粒還能降低細胞活力[26]。巨噬細胞吞噬鈦磨損顆粒釋放的高水平的前列腺素2(PGE2)，長期暴露高濃度的前列腺素中有利于骨吸收，而且PGE2能正反饋作用于本身，使自己的含量大大增加，同時還能增加RANK配體的成骨細胞的產量[21]。

此外，隨著不同的金屬離子釋放進入全身循環，他們可以結合血清蛋白形成半抗原或半抗原復合物。這些半抗原或半抗原復合物由T淋巴細胞作為抗原識別，并且能引起過敏反應。T淋巴細胞和輔助細胞通過抗原提呈細胞(APC)和Ⅱ類主要組織相容性復合體(MHC)與這些抗原相互接觸。導致炎性細胞因子被分泌出來，招募并激活巨噬細胞、單核細胞、中性粒細胞等炎癥細胞。以這樣的方式分泌的細胞因子包括IL-3、IL-6、IL-1α/ B、INF-γ、TNF-α/B、單核細胞趨化激活因子(MCAF)、粒細胞巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)和巨噬細胞移動抑制因子，其中GM-CSF能刺激粒細胞的造血作用，巨噬細胞移動抑制因子可防止炎癥細胞離開炎癥區域。隨著金屬離子釋放量的增加，炎性細胞因子TNF-α、IL-6、IL-1β的含量也隨之增加[16，27]。一旦被激活，巨噬細胞將進一步促進MHC Ⅱ類分子的活化和釋放IL-1激活更多的輔助性T細胞[15]。引起上述反應最常見的金屬是鎳、鈷和鉻[27-28]。

3.3鉻、鉬和鐵誘導炎性級聯反應和過敏反應目前用于手術的金屬假體主要是純鈦、鈦合金(Ti-Al-V)、不銹鋼(SS316L)和鈷-鉻-鉬(Co-Cr-Mo)合金[29]。Co-Cr-Mo合金，由于其耐磨性是為數不多的材料用于金屬-金屬髖關節假體。然而，金屬-金屬假體是離子釋放的主要來源，這些離子已被證明存在局部和全身循環[30]。研究顯示[31]，假體松動的患者與那些假體穩定的患者相比，在統計學上他們的全身血液循環中擁有更多的離子，通常血液中鉻和鈷離子的濃度分別是0.5 μg·L-1和0.8 μg·L-1，如果患者置換了鉻鈷合金髖關節，血液中鉻和鈷離子的濃度也會隨之上升。因此，血清鉻和鈷的水平已被證明是評價一個關節假體磨損的可靠指標[31]。

這些金屬離子不僅造成超敏反應，氧化應激，也刺激促炎癥細胞因子的分泌，而這些促炎癥細胞因子最終導致金屬假體的骨溶解。catelas等[30]也發現Co和Cr離子是以時間依賴性誘導TNF-α分泌的。Caciedo等[14]發現金屬離子Co2+、Cr3+、 Mo5+都是以濃度依賴的方式誘導炎癥因子IL-1β分泌的。大量的離子釋放造成TNF-α分泌量與離子分泌量劇增；但是，只有鉻離子被證明誘導TNF-α分泌具有時間依耐性[30]。Shrivastava等[32]認為隨著Co和Cr離子誘導TNF-α和PGE2釋放，巨噬細胞被孵化逐漸發育成熟。然而，炎癥細胞因子IL-1β和IL-6并沒有隨著Co和Cr離子濃度的增加而增加，這和caciedo等的骨溶解和骨吸收是巨噬細胞吞噬了Co和Cr離子的最終結果的觀點不同。最后，Niki等也報道了除了鉻和鈷以外的鐵離子，也以劑量依賴性的方式促進炎癥因子IL-1β、TNF-α、IL-6的分泌。這些炎癥因子通過激活破骨細胞，引發骨溶解[20]。

4　成骨細胞的抑制作用

金屬離子不僅被證明刺激炎性因子的釋放，最終激活破骨細胞，還能抑制成骨細胞功能[33]。Dalal[34]的研究觀察到鈷和鉻離子的釋放，增加了由巨噬細胞分泌的促炎性因子的釋放。這些研究還表明，這些金屬離子的釋放，具有抑制成骨細胞的作用。然而，對成骨細胞的毒性最強的金屬依次為是釩，錳，鐵，鎳。對成骨細胞毒性最小的依次為是鈷和鉻[35]。國內也有學者認為，Co2+、Cr3+金屬離子能明顯促進成骨細胞凋亡,且在24 h凋亡率最高[36]。因此，金屬離子抑制成骨的作用也被認為是假體植入失敗的原因[37]。

5　炎癥小體的激活

Caicedo等的研究還發現Co-Cr-Mo合金假體釋放的金屬磨屑，能激活炎癥小體，這些炎癥小體在骨髓細胞中表達，是先天免疫反應的一部分。炎癥小體最終促進炎癥因子IL-1β，TNF-α和IL-6的分泌，但巨噬細胞等髓樣細胞必須首先被金屬磨損顆粒或離子激活，才能激活caspase-1，這樣建立的炎癥級聯反應將激活促炎癥轉錄因子NF-κB，導致細胞因子的釋放，破骨細胞的激活，最終導致骨吸收；沒有激活caspase-1就沒有IL-1β的釋放，這將導致破骨細胞活性降低，最終甚至使鈷、鉻、鉬溶解失去活性[14]。

6　骨保護素

骨代謝不僅受RANK配體調節，而且還受骨保護素(OPG)的調節，OPG與RANK受體競爭性結合到RANK配體上，是RANK配體先天的負性調節因子。RANK配體誘導破骨細胞活化和骨吸收；因此，OPG會阻礙破骨細胞的活性，減少骨吸收[38]。骨吸收其他負調節細胞因子包括IL-4、IL-10、IL-12、IL-18、IL-13、IFN-γ和IFN-b[39]。然而，已發現TNF通過T淋巴細胞、B淋巴細胞、內皮細胞、基質細胞、成骨細胞、成纖維細胞和滑膜成纖維細胞刺激RANK配體的產生[9，38-39]。此外，TNF通過誘導前列腺素、IL-1、IL-6和IL-17的上調表達，間接增加巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)和RANK配體的表達[9，38-39]。成骨細胞和滑膜成纖維細胞也分泌M-CSF進一步誘導破骨細胞活化[39]。TNF與RANK配體被證明是骨溶解關鍵的引發者，已經提出抗TNF藥物和RANK受體-RANK配體調節劑如OPG是治療骨溶解潛在的藥物[38]。

7　結　語

本文著重闡明了理解骨溶解途徑導致骨吸收和假體松動的重要性。主要從細胞因子，趨化因子和多種細胞信號介紹了骨溶解的機制。分析了以鈦金屬離子為主的過敏反應，重點講述了T淋巴細胞對外科金屬植入物產生的特異性抗原抗體反應。此外，本文還研究了金屬離子對成骨細胞的抑制作用，使炎癥小體活化的機制以及骨保護素在骨溶解中的作用。通過闡明金屬離子與炎癥級聯反應在骨重建與骨吸收之間關系，知道了金屬離子的產生增加了關鍵炎性因子的釋放，并且最終刺激破骨細胞導致骨溶解。因此，可以證明金屬離子是骨溶解中炎癥的引發者之一。

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Research Progress on the Role of Metal Ions in Osteolysis

CHENJin-cai1，JIGuang-lin2

(1.GannanMedicalUniversity;2.Dept.oforthopedics,FirstAffiliatedHospitalofGannanMedicalUniversity,GanzhouJiangxi341000)

Currently, osteolysis and aseptic loosening are major causes of implant failure. As one of the main factors causing osteolysis, metal ions increase the level of key inflammatory cytokine, stimulate the osteoclast, and thus promote the progress of osteolysis and aseptic loosening. Here, we reviewed the role of metal ions as the inflammatory source in osteolysis.

Metallic ions；Osteolysis；Joint replacement

江西省教育廳科學技術研究項目(編號：GJJ13683)

姬廣林，男，主任醫師，教授，碩士生導師。E-mail：ganyiguke@163.com

Q954.65+8

A

1001-5779(2016)03-0477-05

10.3969/j.issn.1001-5779.2016.03.053

2016-04-29)(責任編輯：敖慧斌)