創傷后肘關節外源性攣縮機制研究進展

余寶富，陸驊(上海交通大學醫學院附屬新華醫院，上海200092)

?

創傷后肘關節外源性攣縮機制研究進展

余寶富，陸驊(上海交通大學醫學院附屬新華醫院，上海200092)

摘要：肘關節囊的攣縮是導致肘關節外源性攣縮的主要因素。肌成纖維細胞的介導在肘關節囊攣縮中起著關鍵性作用，轉移生長因子β1可促進成纖維細胞分化為肌成纖維細胞，并且抑制肌成纖維細胞的凋亡；腫瘤壞死因子α在體外低劑量時可以促進肌成纖維細胞的活化及增殖；肌成纖維細胞-肥大細胞-神經肽纖維化軸在肘關節的外源性攣縮中具有重要作用。女性性激素、成纖維細胞生長的細胞外基質的機械作用及人類基因易感性也影響創傷后肘關節外源性攣縮的程度。

關鍵詞：肘關節；外源性攣縮；肌成纖維細胞；性激素；機械作用；基因易感性

肘關節攣縮是肘部創傷后的一種常見并發癥[1]，根據創傷后肘關節攣縮的原因可分為外源性、內源性以及混合性三類。其中典型的外源性攣縮主要是指累及肘關節周圍軟組織結構，包括關節周圍的關節囊、韌帶及肌肉等一系列病理改變。研究[2]表明，軟組織的攣縮是引起肘關節攣縮的主要因素。Trudel等[3]認為關節囊攣縮可能是關節攣縮的主要因素。創傷后攣縮的肘關節的關節囊由于膠原蛋白結構紊亂及成纖維細胞的滲出而實質性增厚[4]。近年來，創傷后肘關節外源性攣縮機制的研究較多，現作一綜述。

1肌成纖維細胞在關節囊纖維化中的關鍵性介導作用

Hildebrand等[5]運用免疫組化技術，比較創傷后肘關節外源性攣縮行關節松解術患者和器官捐贈者(無攣縮)關節囊中的肌成纖維細胞數目，發現前者關節囊中肌成纖維細胞的絕對值及比例均有顯著上升。肌成纖維細胞在創傷后肘關節外源性攣縮的發生、發展中可能起著重要的作用。肌成纖維細胞是一種組織成纖維細胞，可以在胞內表達α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)，α-SMA可通過細胞膜上的整合素作用于細胞外基質，從而影響細胞外基質的構成[6]。α-SMA的高水平表達可增強細胞株膠原的收縮力量。肌成纖維細胞不僅在纖維化的肌肉骨骼(如粘連性關節囊炎和掌腱膜攣縮等)中數目上升[7]，而且在肝臟、肺臟、角膜及心包的纖維化過程中數目也上升[8,9]。創傷后肘關節外源性攣縮后，肌成纖維細胞的數量在整個關節囊中都是增多的，但在關節囊的各個部位有區域性不同，比如前囊中數目的增加程度要比后囊大[10]。這與臨床觀察是一致的，臨床創傷性肘關節攣縮的病例中，伸肘功能的喪失往往比屈肘功能的喪失更加常見。Hildebrand等[11]采用新西蘭兔創傷后的膝關節模擬人類創傷后肘關節，發現固定2周的膝關節囊中的肌成纖維細胞數目即上升，而膝關節創傷后的慢性階段的改變與急性階段類似，提示在臨床實踐中，關節攣縮的預防措施應盡早實施。Doornberg等[12]發現肌成纖維細胞數量在創傷后5個月以上并不保持上升，5個月以上的創傷后攣縮肘關節中肌成纖維細胞甚至缺如，這與目前其他的研究結果剛好相反。間質干細胞和成纖維細胞分化為肌成纖維細胞受一系列復雜的化學及機械信號調控。在創傷后肘關節外源性攣縮的患者及新西蘭兔模型的攣縮關節囊中，轉移生長因子β1(TGF-β1)、結締組織生長因子、α-SMA的表達水平上調，這些因子對肌成纖維細胞的活動具有正性調節作用，在新西蘭兔模型中，這些因子的表達水平隨著時間延長而下降[13]。機械壓力及TGF-β1的活化對于成纖維細胞轉化為肌成纖維細胞具有很重要的意義，肌成纖維細胞收縮可以活化細胞外基質中自分泌的TGF-β1，從而連接機械信號與化學信號[14]。自分泌的TGF-β1又可以促進肌成纖維細胞的分化[15]。TGF-β1同時可抑制肌成纖維細胞的凋亡，從而增強纖維化過程。Mattyasovszky等[16]研究了腫瘤壞死因子α(TNF-α)對人類關節囊中肌成纖維細胞的作用，發現TNF-α的作用因劑量不同而異，在低劑量時可以促進肌成纖維細胞的活化及增殖，在高劑量時通過抑制α-SMA及Ⅰ型膠原的表達抑制基質的收縮。

肌成纖維細胞-肥大細胞-神經肽纖維化軸是活化肌成纖維細胞的重要機制。Hildebrand等[11]發現，新西蘭兔的創傷后膝關節外源性攣縮的急、慢性階段及人類創傷后肘關節外源性攣縮的慢性階段，關節囊中的肌成纖維細胞、肥大細胞、神經肽的含量顯著上升，推測在創傷后肘關節的攣縮中存在著肌成纖維細胞-肥大細胞-神經肽纖維化軸。因此，對此軸的干預，如抑制肥大細胞脫顆粒可能對肘關節攣縮的預防有一定的作用。肥大細胞-神經肽纖維化軸在皮膚的愈合中已有所研究報道，肥大細胞能影響傷口的修復，不同組織部位的肥大細胞雖然內容物不一樣，但是都可以對神經肽的作用起反應。肥大細胞含有促纖維化顆粒(包括血小板生長因子A、內皮縮血管素1、成纖維細胞生長因子和TGF-β1)，肥大細胞通過脫顆粒，釋放上述因子，從而促進肌成纖維細胞的分化及增殖。機體的損傷和疼痛可引起神經末梢釋放神經肽P物質及降鈣素G相關肽類物質，從而引起肥大細胞脫顆粒。在動物及人類的創傷后攣縮肘關節中，肥大細胞、含神經肽的神經纖維的數目4周內便開始上升，而在慢性階段仍保持升高的狀態[11]。肥大細胞因此連接創傷后的急性炎癥期和隨后的攣縮期，也因此可能成為創傷后肘關節攣縮的干預靶點。酮替芬是一種肥大細胞脫顆粒抑制劑。Gallant-Behm等[17]設計了約克郡豬及紅色杜洛克豬的對比實驗，約克郡豬皮膚傷口愈合與人類類似，而紅色杜洛克豬則會形成纖維增生、高度攣縮的瘢痕；兩組行同樣的足夠深的切口，均使用酮替芬治療，結果顯示紅色杜洛克豬比約克郡豬傷口攣縮程度更加嚴重，而給予酮替芬治療可以減輕紅色杜洛克豬的一期攣縮，但對于上皮形成以后攣縮的治療效果則不明顯；停藥10周后，沒有導致過度攣縮的復發，由此推測酮替芬是阻斷而不是延遲攣縮的發生；酮替芬同時可以減少紅色杜洛克豬的傷口膠原堆積，但對約克郡豬的膠原堆積無明顯影響。類似的，在新西蘭兔膝關節模型中，酮替芬可以減少肥大細胞及肌成纖維細胞的數量，并且相對可以減少關節42%～52%的攣縮程度。因此，酮替芬可能是人類皮膚損傷后減少傷口攣縮及纖維化的有效措施，并且不影響正常的愈合過程[18]。

2女性激素水平對關節囊纖維化的影響

女性的性激素可作用于細胞外基質及肌成纖維細胞，影響關節囊的纖維化，從而影響創傷后肘關節外源性攣縮的程度。女性的關節高活動量現象相對男性更加普遍，而孕婦的關節松弛度更大[19]。雌激素、孕激素、松弛素受體可存在于女性的前交叉韌帶中[20]。前交叉韌帶的松弛度和月經周期中的雌激素、孕激素峰有相關關系，因此可通過測定前交叉韌帶的松弛度來評估膝關節的松弛及攣縮情況。研究[21]發現排卵期的雌激素、孕激素水平升高與膝關節松弛的增加及攣縮的減少相關，從而推測性激素對肘關節的攣縮影響也是存在的。雌激素可減少膠原的合成及抑制成纖維細胞的增殖，而松弛素可通過減少膠原的產生、抑制細胞增殖、肌成纖維細胞分化而減輕纖維化[22]。在膝關節固定2周的大鼠，懷孕組關節攣縮程度較未懷孕組輕[23]。懷孕與否對韌帶松弛及細胞的活化作用還取決于韌帶是否有創傷，創傷可以調節結締組織對性激素的敏感性，在無創傷的兔子膝關節中，懷孕可以增加內側副韌帶的松弛度，而對于創傷的兔子則不能[24]。性激素受體可存在于病態及正常組織的肌成纖維細胞中，雌激素可活化肌成纖維細胞中的雌激素受體β，從而抑制纖維化過程[25]。松弛素可抑制肌成纖維細胞的增殖及下調α-SMA，從而抑制關節囊的攣縮[22]。骨骼肌損傷后，松弛素體內療法可加強肌肉再生并且減少纖維化。女性激素是否可用于干預創傷后關節攣縮尚需進一步的研究。

3細胞外基質對成纖維細胞分化的影響

成纖維細胞分化為肌成纖維細胞需要適宜的細胞外基質。微環境對于原始干細胞的分化具有重要作用，原始干細胞對于組織的彈性水平較為敏感，它生長在彈性度相當于骨骼、肌肉、腦的基底上，則相應地發展成為成骨的、肌源性的、神經源性的細胞系[26]。類似地，只有生長在堅固膠原中的成纖維細胞，才能在TGF-β1的作用下增殖并分化為肌成纖維細胞[27]。因此細胞外基質的機械因素可以通過影響細胞分化為肌成纖維細胞的過程來影響關節纖維化。但目前相關研究非常少，具體力學作用機制需要進一步的研究。

4基因易感性對創傷后肘關節攣縮程度的影響

同樣的肘關節創傷的不同個體可以表現為不同程度的攣縮，因此，肘關節攣縮中可能存在基因易感性機制。Nesterenko等[28]回顧了116例創傷后肘關節攣縮的病例，發現其中的4例患者只有輕微的創傷，卻出現了嚴重的肘關節攣縮，經過多次手術及非手術治療均未取得良好效果。動物研究也支持了這種預測。來自4系近親繁殖的40只大鼠，予以膝關節固定，其中兩系大鼠的關節攣縮程度明顯要比另兩系嚴重，從而支持了可能存在基因易感性影響創傷后肘關節攣縮的程度的觀點[29]。

創傷后肘關節外源性攣縮仍是臨床中常見的難以預防及治療的問題，通過對創傷后肘關節外源性攣縮的機制研究，可以指導創傷后肘關節或肘關節松解后的靶向干預，由此預防肘關節攣縮或者復發。目前認為，肌成纖維細胞-肥大細胞-神經肽纖維化軸在創傷后肘關節攣縮的發生發展中起著重要作用，這為目前的預防及以后的分子靶向干預提供了理論指導。神經肽P物質可能為臨床干預及攣縮的機制起鏈接作用。而對個體基因易感性差異的研究可以確定高風險人群，從而制定早期個體化干預措施。肘關節創傷后，促纖維化分子通路短期內即開始上調，因此及時地風險評估及局部、系統干預對創傷后肘關節的攣縮預防尤為重要。

參考文獻：

[1] 查曄軍,公茂琪,蔣協遠.創傷后肘關節僵硬[J].中華創傷雜志，2013,29(5):474-476.

[2] Charalambous CP, Morrey BF. Posttraumatic elbow stiffness[J]. J Bone Joint Surg Am, 2012,94(15):1428-1437.

[3] Trudel G, Uhthoff HK. Contractures secondary to immobility: is the restriction articular or muscular? An experimental longitudinal study in the rat knee[J]. Arch Phys Med Rehabil, 2000,81(1):6-13.

[4] Everding NG, Maschke SD, Hoyen HA, et al. Prevention and treatment of elbow stiffness: a 5-year update[J]. J Hand Surg Am, 2013,38(12):2496-2507.

[5] Hildebrand KA, Zhang M, van Snellenberg W, et al. Myofibroblast numbers are elevated in human elbow capsules after trauma[J]. Clin Orthop Relat Res, 2004(419):189-197.

[6] Hinz B. The myofibroblast: paradigm for a mechanically active cell[J]. J Biomech, 2010,43(1):146-155.

[7] Verjee LS, Midwood K, Davidson D, et al. Myofibroblast distribution in Dupuytren′s cords: correlation with digital contracture[J]. J Hand Surg Am, 2009,34(10):1785-1794.

[8] Keeley EC, Mehrad B, Strieter RM. The role of fibrocytes in fibrotic diseases of the lungs and heart[J]. Fibrogenesis Tissue Repair, 2011,4:2.

[9] Saika S, Yamanaka O, Sumioka T, et al. Fibrotic disorders in the eye: targets of gene therapy[J]. Prog Retin Eye Res, 2008,27(2):177-196.

[10] Germscheid NM, Hildebrand KA. Regional variation is present in elbow capsules after injury[J]. Clin Orthop Relat Res, 2006,450:219-224.

[11] Hildebrand KA, Zhang M, Salo PT, et al. Joint capsule mast cells and neuropeptides are increased within four weeks of injury and remain elevated in chronic stages of posttraumatic contractures[J]. J Orthop Res, 2008,26(10):1313-1319.

[12] Doornberg JN, Bosse T, Cohen MS, et al. Temporary presence of myofibroblasts in human elbow capsule after trauma[J]. J Bone Joint Surg Am, 2014,96(5):e36.

[13] Hildebrand KA, Zhang M, Hart DA. Myofibroblast upregulators are elevated in joint capsules in posttraumatic contractures[J]. Clin Orthop Relat Res, 2007,456:85-91.

[14] Wipff PJ, Rifkin DB, Meister JJ, et al. Myofibroblast contraction activates latent TGF-beta1 from the extracellular matrix[J]. J Cell Biol, 2007,179(6):1311-1323.

[15] Popova AP, Bozyk PD, Goldsmith AM, et al. Autocrine production of TGF-beta1 promotes myofibroblastic differentiation of neonatal lung mesenchymal stem cells[J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2010,298(6):L735-743.

[16] Mattyasovszky SG, Hofmann A, Brochhausen C, et al. The effect of the pro-inflammatory cytokine tumor necrosis factor-alpha on human joint capsule myofibroblasts[J]. Arthritis Res Ther, 2010,12(1):R4.

[17] Gallant-Behm CL, Hildebrand KA, Hart DA. The mast cell stabilizer ketotifen prevents development of excessive skin wound contraction and fibrosis in red Duroc pigs[J]. Wound Repair Regen, 2008,16(2):226-233.

[18] Monument MJ, Hart DA, Befus AD, et al. The mast cell stabilizer ketotifen fumarate lessens contracture severity and myofibroblast hyperplasia: a study of a rabbit model of posttraumatic joint contractures[J]. J Bone Joint Surg Am, 2010,92(6):1468-1477.

[19] Marnach ML, Ramin KD, Ramsey PS, et al. Characterization of the relationship between joint laxity and maternal hormones in pregnancy[J]. Obstet Gynecol, 2003,101(2):331-335.

[20] Faryniarz DA, Bhargava M, Lajam C, et al. Quantitation of estrogen receptors and relaxin binding in human anterior cruciate ligament fibroblasts[J]. In Vitro Cell Dev Biol Anim, 2006,42(7):176-181.

[21] Park SK, Stefanyshyn DJ, Loitz-Ramage B, et al. Changing hormone levels during the menstrual cycle affect knee laxity and stiffness in healthy female subjects[J]. Am J Sports Med, 2009,37(3):588-598.

[22] Hewitson TD, Ho WY, Samuel CS. Antifibrotic properties of relaxin: in vivo mechanism of action in experimental renal tubulointerstitial fibrosis[J]. Endocrinology, 2010,151(10):4938-4948.

[23] Ohtera K, Zobitz ME, Luo ZP, et al. Effect of pregnancy on joint contracture in the rat knee[J]. J Appl Physiol (1985), 2002,92(4):1494-1498.

[24] Hart DA, Reno C, Frank CB, et al. Pregnancy affects cellular activity, but not tissue mechanical properties, in the healing rabbit medial collateral ligament[J]. J Orthop Res, 2000,18(3):462-471.

[25] Pedram A, Razandi M, O′Mahony F, et al. Estrogen receptor-beta prevents cardiac fibrosis[J]. Mol Endocrinol, 2010,24(11):2152-2165.

[26] Engler AJ, Sen S, Sweeney HL, et al. Matrix elasticity directs stem cell lineage specification[J]. Cell, 2006,126(4):677-689.

[27] Hinz B. Tissue stiffness, latent TGF-beta1 activation, and mechanical signal transduction: implications for the pathogenesis and treatment of fibrosis[J]. Curr Rheumatol Rep, 2009,11(2):120-126.

[28] Nesterenko S, Sanchez-Sotelo J, Morrey BF. Refractory elbow arthrofibrosis. A report of four cases[J]. J Bone Joint Surg Am, 2009,91(11):2693-2695.

[29] Laneuville O, Zhou J, Uhthoff HK, et al. Genetic influences on joint contractures secondary to immobilization[J]. Clin Orthop Relat Res, 2007,456:36-41.

(收稿日期：2015-07-08)

中圖分類號：R682

文獻標志碼：A

文章編號：1002-266X(2016)11-0093-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2016.11.037