骨關節系統界面結構潮線的研究進展

宋偉，謝勇輝 綜述；馮斌 審校

（解放軍第42醫院 骨科，四川 樂山 614100）

骨關節系統軟硬組織結合處普遍存界面結構，界面結構由潮線和鈣化層共同組成，鈣化層即鈣化軟骨，而潮線是界面結構的特征性組分和功能前沿。在骨骼生長發育期，潮線不斷前移，將非鈣化軟骨轉化為鈣化層；骨骼停止發育后，鈣化層厚度保持動態恒定。此時，兩者共同作為界面結構，承擔著牢固連接軟硬組織、分散應力、交通物質轉運和維持界面穩態等重要功能。

潮線是鈣化層的礦化前沿，在成熟軟骨中保持生理性鈣化動態平衡，在特定條件下如局部應力改變、創傷時啟動礦化進程，潮線復制、前移，鈣化層厚度增加，通過生物力學和生物化學兩條途徑適應微環境變化，當潮線改變超過一定限度時誘發和加重退行性疾病，導致關節軟骨退變或腱止點病。在組織工程骨軟骨復合體領域，如何構建具有形態和功能仿生的潮線結構已經成為研究熱點[1]。

1 潮線的形態結構和成分

潮線位于非鈣化軟骨和鈣化層之間，蘇木精-伊紅染色法（hematoxylin-eosin staining, HE染色法）下是一條厚度約10 μm的嗜堿性、波浪線狀結構。依據平面幾何學方法，潮線的粗糙度可用潮線實際長度和經過潮線的直線長度比值來測量，人股骨髁軟骨潮線粗糙度約為1.14，粗糙度升高提示潮線區代謝活動增加[2]。Lyons等[3]采用計算機技術重建人類脛骨平臺軟骨潮線模型，發現潮線具有復雜三維空間結構，顯著增加了非鈣化軟骨和鈣化層的接觸面積。潮線區域的II膠原纖維形成放射狀排列的纖維束，垂直或斜形穿過潮線進入鈣化層，構成錯綜復雜的連鎖根狀系統，增加了非鈣化軟骨和軟骨下骨的連接強度。

潮線區域的軟骨細胞呈柱狀排列，和膠原纖維束走形一致。與透明軟骨或者纖維軟骨的軟骨細胞不同，潮線區軟骨細胞周圍有典型的基質小泡，直徑約為0.1～0.2 μm，最初位于線粒體中，通過內質網轉運通道向細胞膜表面移動，最終從軟骨細胞表面“芽生”而出，具備了單位膜結構，膜內包裹羥磷灰石結晶并最終進入了鈣化部位的基質中。潮線基質中還含有特異糖蛋白、鉛、脂質、堿性磷酸酶和三磷酸腺苷（adenosine triphosphate,ATP）等物質，形成鈣磷脂復合體參與軟骨鈣化過程，提示潮線不僅是一個連接結構，而且具有特殊細胞活動和代謝過程，在維持界面結構穩定和保持生理性鈣化動態平衡方面發揮著獨特作用[4]。

2 潮線的功能

2.1 潮線的生物力學功能

潮線通過自身復雜的三維空間結構增加接觸面積，通過于垂直關節面的膠原纖維將剪切力轉化為壓力和張力，起到傳導、分散應力的作用，從而增加軟骨和軟骨下骨的連接強度。潮線正常代謝決定了鈣化層的彈性模量，鈣化層彈性模量介于軟骨和軟骨下骨之間，能有效緩解應力在不同界面傳導過程中產生的應力集中，起到保護軟骨的作用；當發生骨性關節炎（osteoarthritis, OA）時，潮線礦化過程啟動，潮線復制、前移，鈣化層厚度增加的同時彈性模量也升高，破壞了軟骨-骨界面的應力梯度，使異常應力累積于潮線，故臨床多見軟骨從潮線處剝脫[5]。

根據伍爾夫定律（Woff定律），骨骼生長發育會因受到力學刺激而改變其自身結構，同理，潮線會主動啟動礦化進程來適應外周應力變化。當跟腱長期受到持續、累積應力時，腱骨界面會出現“漲潮”現象，伴隨著纖維軟骨區的活躍鈣化，潮線將逐步前移，甚至會超越跟骨結節輪廓而垂直于跟腱長軸，這一改變使跟腱附著點向后上方移位，增大了跟腱作用力臂，使小腿三頭肌收縮力矩加大，有利于腱骨界面承受更大負荷。但是，當鈣化超過生理需求限度時，在跟后結節會形成Haglund畸形，導致患者疼痛、穿鞋困難和跛行[6]。臨床上類似潮線重啟鈣化而誘發疾病的現象比較常見，在肩關節發生于岡上肌腱的大結節止點，在肘關節發于內外上髁的屈肌或伸肌總腱起點，在腕關節則多發生于尺側腕屈肌腱的豆狀骨止點或橈側腕屈肌腱的第2掌骨止點，統稱為鈣化性腱止點末端病，其發病率約占運動性損傷的50%，嚴重影響了高水平運動員的職業生涯[7]。

2.2 潮線的生物學功能

潮線生物學功能在于維持界面結構恒定和保持生理性鈣化動態平衡。眾所周知，四肢骨骼生長方式主要為軟骨內化骨，在胚胎期5～6周形成具有長骨形態的軟骨雛形，分為中段的軟骨干和兩端的骺軟骨，骺軟骨在出生后數年內相繼骨化，形成二次骨化中心。骨骺發育到一定程度，骨骺區軟骨增殖和成骨活動停止，軟骨未全部骨化，從而形成覆蓋關節表面的透明軟骨，當骨骼發育成熟時出現典型潮線結構，此時，骺軟骨不再增大、增寬。但是，潮線出線并不意味著鈣化停止，潮線區域仍然存在生理性鈣化活動，并且和軟骨下骨重塑相偶聯，使鈣化層厚度保持恒定。界面結構中鈣化層厚度與關節軟骨總厚度的比值約為1∶10，不隨著年齡增長和關節內部區域不同而改變，這是由潮線主導的軟骨內化骨過程和軟骨下骨重塑之間形成平衡所決定的[8]。

鈣化層通過潮線代謝保持一個理想厚度，不僅有利于牢靠固定非鈣化軟骨和軟骨下骨，而且有利于軟骨下骨營養成分進入軟骨。Arkill等[9]證實界面結構對小分子示蹤劑熒光素鈉（Na）和玫瑰紅B具有通透性，提示分子量和示蹤劑相近的營養物質和信號分子可以通過潮線進入軟骨深部。Pan等[10]發現鈣化層中存在非礦化區，約占鈣化層總面積的22%，可能為小分子物質在骨軟骨之間轉運提供潛在通道。Guevremont等[11]也認為病變軟骨下骨成骨細胞合成的肝細胞生長因子，可能以旁分泌的方式越過潮線進入軟骨深層，進而影響軟骨細胞代謝、誘發細胞凋亡。綜上可見，骨和軟骨通過界面結構組成一個彼此獨立又相互影響功能單位。

3 潮線在骨關節系統退行性疾病中的作用

臨床上骨關節系統退行性疾病十分常見，例如發生在髖、膝、足踝、手指和顳下頜等大小關節的原發性OA，以及椎間盤退變、鈣化性腱止點末端病等，上述疾病雖然侵犯人體不同部位，但其特征性病變都包括潮線這一界面結構的變化。在透明軟骨尚未出現明顯退變的OA早期，潮線鈣化抑制機制解除，潮線區軟骨細胞分泌Ⅹ型膠原，潮線復制、前移，非鈣化軟骨基質不斷鈣化，基質礦化為軟骨內化骨過程提供充足物質準備；在OA中晚期，潮線繼續向前推進，髓腔來源的毛細血管大量侵入潮線，鈣化層在侵入血管的作用下發生重塑，不斷向軟骨下骨轉化，鈣化層厚度減小甚至完全消失[12]。

椎間盤退變是引起下腰痛的常見原因，其病因尚不清楚，但是越來越多的學者開始重視軟骨終板病變和椎間盤退變的關系。上下軟骨終板是椎間盤血供的主要來源，終板深層具有大量交織纏繞的血管芽，血管芽和軟骨下骨血管竇相通，通過滲透作用為椎間盤提供營養。在椎間盤退變早期，終板深層潮線鈣化進程啟動，鈣化層厚度增加的同時軟下骨也增厚，導致終板深層血管芽和血管竇閉塞，骨-軟骨終板營養通路被破壞，進而引起椎間盤代謝障礙，加快椎間盤退變[13]。鈣化性岡上肌腱炎是引起肩部疼痛和功能障礙的常見疾病，好發于40歲左右的體力勞動者，鈣化灶多分布于岡上肌腱大結節附著處，研究發現在疾病早期尚無明顯癥狀時，潮線已經前移到岡上肌腱距離大結節止點約2 cm處，此區域內肌腱膠原纖維發生纖維軟骨化，然后向鈣化軟骨轉變，鈣質沉積于軟骨細胞分泌的基質囊泡中，囊泡互相融合成為長條型或球塊型鈣沉積物，隨著來源于髓腔的新生血管侵入鈣沉積，進入鈣鹽吸收階段，此時患者因劇烈疼痛而求醫，如果保守治療無效，關節鏡下徹底清除鈣沉積物是推崇手術方 案[14-15]。

上述潮線病變的本質可能是二次骨化中心的再次激活，這一軟骨內化骨過程由軟骨細胞肥大凋亡、軟骨基質礦化和新生血管形成等序貫相連。利用甲狀旁腺激素抑制潮線區軟骨細胞終末分化、凋亡[16]，使用磷酸枸櫞酸鹽抑制潮線前移、基質礦化[17]，運用血管內皮生長因子拮抗劑阻斷軟骨下骨新生血管形成[18]，在體外和動物實驗中都起到了保護軟骨、延緩疾病進展的作用。總之，以潮線為作用靶點為骨關節系統退行性疾病的預防和治療提供了嶄新思路[19]。

4 潮線是界面組織工程領域研究的熱點

隨著組織工程技術不斷進步，許多學者開始嘗試設計具有界面結構的骨軟骨復合組織。Allan等[20]一體構建出具有鈣化層結構的骨-軟骨復合體，可更好分散應力和抗剪切力，且骨軟骨之間粘合緊密、不易分層脫落。然而，此鈣化層僅初步具備界面結構的材料學和力學特性，仍然缺乏潮線的生物學功能。為了彌補這一不足，Cheng等[21]利用間充質干細胞和膠原微球技術體外培養出具有潮線功能的界面結構，其中具備肥大軟骨細胞、Ⅹ型膠原、鈣鹽沉積和垂直走向的膠原纖維。在一項最近的研究中，Lee等[22]使用生物降解性和骨相容性良好的多孔聚磷酸鈣生物陶瓷做作為軟骨下骨底物，利用骨髓基質干細胞作為種子細胞，在底物上成功分層構建出具有潮線功能的鈣化層和透明軟骨結構，潮線區種子細胞經過三碘甲腺原氨酸誘導后可終末分化成肥大軟骨細胞，分泌Ⅹ型膠原并啟動鈣化。由于此復合體的軟骨部分不具有導致生物排斥的異體支架結構，可快速用于大動物試驗并有希望進入臨床早期研究。

上述系列研究表明界面組織工程已經從形態、物理結構重建逐步深入到生物學功能的仿生重建，具有廣闊的研究和應用前景。

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