盤狀半月板微觀結構研究現狀和進展

張鍵，林堅平，周鋼，王本超，吳永昌

(海南醫學院附屬海南醫院，海南省人民醫院關節外科，海南 海口 570311)

盤狀半月板又稱盤狀軟骨，肉眼觀呈圓盤狀，較正常半月板厚且寬，活動性較正常半月板高，因此在膝關節活動中易于損傷。1889年Young首次對盤狀半月板進行報道，隨后有許多學者對本病進行了相關報道。盤狀半月板發病率不同(0.4%～20.0%)，分布具有顯著的地區差異性，中國為13.0%，韓國為10.9%，日本為16.6%[2]。Grimm等[3]的流行病學調查顯示，盤狀半月板在西班牙裔和亞裔人群中具有極高的發病率，說明本病發病具有種族差異性。Atik等[4]研究發現，盤狀半月板自噬和細胞凋亡基因表達均高于正常半月板。Hoernschemeyer等[5]報道1例由FGFR3基因突變所致軟骨發育不全患者合并盤狀半月板病例，因此目前更傾向于認為該病為先天性畸形。絕大多數患者為外側盤狀半月板，內側盤狀半月板少見，少數患者具有同側膝關節雙側盤狀半月板[6]。盡管本病發現距今已有一百余年，但對盤狀半月板的微觀組織學結構與發病機制仍不明確，伴隨顯微成像技術的提高與組織學研究的深入，學者對此種類型半月板具有更深層次認識，本文將對新發現進行總結和闡釋。

1 盤狀半月板的大體解剖結構與概述

半月板是存在于人體膝關節中的纖維軟骨盤，其中內側半月板形狀似“C”型，覆蓋內側脛骨平臺的51%～74%，而外側半月板形似”O”型約覆蓋外側脛骨平臺的75%～93%，二者均通過致密的纖維結構與膝關節的骨性結構和周圍軟組織相連接維持膝關節正常活動。然而，盤狀半月板與膝關節骨結構和軟組織的結合松弛且易于發生膝關節結構異常改變，如盤狀半月板與前交叉韌帶融合病例[7]，合并腓骨頭高位、腓骨肌腱滑脫、腓側肌肉缺損等病例[7-8]。目前最廣泛應用的盤狀半月板分型是Watanabe分型：(1)完全型，半月板異常增厚，脛骨平臺被半月板完全覆蓋，半月板附件正常；(2)不完全型，增厚的半月板不完全覆蓋脛骨平臺；(3)Wrisberg韌帶型(見圖1)。隨著MRI技術和關節鏡技術的發展與普及，學者對盤狀半月板的結構認識加深，后續又增加了兩個分型：環形盤狀半月板，雙層盤狀半月板[9](見圖2)。半月板主要血液供應來自于膝上、下外側動脈和內側動脈，其分支形成樹枝狀周圍血管叢，呈環形排列于半月板的外周，并且發出放射狀分支來維持大部分半月板的營養。然而，成年人的半月板血供相當于一個無血管組織，僅10%～30%的內側半月板和10%～25%的外側半月板直接由毛細血管網的血液供應。因此，有學者根據半月板的血液供應將半月板組織分為3區：由血管直接提供營養的區域為紅-紅區、由部分血管供應營養的區域為紅-白區以及無血管供應的區域為白-白區。半月板神經分布基本與血管分布一致，分布于半月板的神經主要為脛后神經、閉孔神經、股神經和腓總神經。Inoue等[10]研究顯示，不完全型盤狀半月板內部區域的血供較少，與正常半月板相似，而完全型盤狀半月板的髁間區域血管較不完全型盤狀半月板多，提示不同類型的盤狀半月板的血管分布有差異性，這或許可以作為不同類型盤狀半月板的手術方式提供選擇。盤狀半月板主要依據其解剖特點進行分型，發病機制至今未明，目前關于病因的觀點主要有先天發育停滯學說、后天獲得假說、脛骨外髁形態決定論假說、遺傳學假說，均缺乏可靠的證據支持[11]。

圖1 Watanabe分型 圖2 新增類型半月板

2 盤狀半月板組織學成分與結構

半月板屬于纖維軟骨組織，主要由膠原纖維相互交聯并按照一定的空間排列所構成的支架結構和軟骨細胞、成纖維細胞構成[12]。此外，還有以特殊比例存在的生物化學成分，如水分、蛋白多糖以及蛋白聚糖等。上述成分中除了細胞以外的成分構成細胞外基質。TasujⅡ等[13]對于半月板組織學的研究中發現，半月板組織中水分含量最高(65%～70%)，其次為膠原纖維，占半月板組織的20%～25%，蛋白聚糖占比約1%。半月板不同區域的細胞含量差異會使細胞外基質組分產生差異。半月板所含膠原纖維主要為Ⅰ型膠原纖維和Ⅱ型膠原纖維，而Ⅲ型、Ⅳ型膠原蛋白含量較少，Ⅰ型膠原纖維主要分布于成纖維細胞含量較多的紅-紅區，Ⅱ型膠原纖維分布于纖維軟骨細胞含量較多的白-白區[14]。半月板不同區域各類膠原纖維含量也各不相同，Ⅰ型膠原纖維在半月板的內側末端的含量較少，而Ⅱ型膠原纖維在半月板的外側部分的含量較少，Ⅳ型膠原纖維主要存在半月板、周圍的脂肪組織以及半月板的血管平滑肌。而Ⅲ型膠原纖維在維持細胞外基質的微觀結構力學方面具有特殊作用。Wang等[15]的研究證實，Ⅲ型膠原纖維可以維持半月板內膠原纖維的均質性，從而影響半月板在分散傳導壓力方面的作用。除此之外，膠原纖維的排列方式也是影響半月板對膝關節壓力負荷的緩沖、傳導和分散作用的關鍵因素。半月板的膠原纖維排列方式為環狀排列和放射狀排列，呈環向排列的膠原纖維主要與對抗外界負荷所帶來的張力有關，而呈放射狀排列的膠原纖維主要為半月板組織提供縱向強度，避免半月板組織發生縱行撕裂[12]。在半月板組織中，環形膠原纖維數量較多，主要位于半月板的邊緣。Rattner等[16]采用電鏡對半月板進行觀察發現，放射狀排列的膠原纖維相互交織形成直徑約10 μm的膠原纖維束，纖維束之間交聯形成類似蜂窩狀的框架結構，框架內容納環向排列的膠原纖維(見圖3)。一些放射狀排列的纖維和環狀排列的纖維融合成片狀的纖維組織。在電子顯微鏡掃描下，這些片狀結構實際上是纖維束波浪樣平行排列而成。Kambic等[17]認為這些纖維主要是由Ⅰ型和Ⅱ型膠原纖維構成，而且這種徑向排列的纖維結構可以抵抗縱向的拉力。Atay等[18]通過透射電子顯微鏡對12例盤狀半月板和6例正常半月板進行觀察和比較發現，盤狀半月板的膠原纖維密度和膠原纖維的分布方式具有明顯差異性，主要表現為膠原纖維密度減少，甚至在某些區域出現膠原纖維完全缺失以及膠原纖維的分布不均勻。Cui等[19]對10例盤狀半月板進行電子顯微鏡掃描得出相似結論，該研究的病例主要來源于膝關節置換手術中剝離的完整盤狀半月板組織，以及關節鏡下盤狀半月板部分切除術中獲取的半月板組織，但并未具體描述盤狀半月板的分型。Papadopoulos等[20]采用偏光顯微系統觀察發現膠原纖維在盤狀半月板標本的后1/3部分顯著減少，這一區域的半月板組織還發生了黏液樣變性和化生，該研究基本包括完全型、不完全型、Wrisberg韌帶型在內的盤狀半月板，結論較為全面。然而，Choi等[21]采用透射電子顯微鏡觀察研究指出，與正常的半月板組織相比，這些標本中的膠原纖維的密度并未出現明顯減少，同時不存在前人所報道的膠原纖維分布不均勻現象。

注：1-盤狀半月板縱行截面，徑向排列的膠原纖維形成蜂窩狀網格，包繞環形排列的膠原纖維；2-徑向排列膠原纖維；3-環狀排列膠原纖維

以往觀點認為半月板纖維結構分為5層：股骨、脛骨表層，股骨、脛骨板層以中央層。半月板的表面覆蓋直徑約3 nm的膠原纖維所構成的10 μm寬的纖維網絡，這些纖維并無特定走向。在表面之下，有直徑20～50 μm膠原纖維組成的層樣纖維束，該層厚度為150～200 μm，在半月板內周該層厚度僅為20～30 μm[22]。在半月板脛骨表層的中外1/3部，膠原纖維以放射狀展開，各纖維方向平行，交匯成層樣纖維后插入半月板內周部。股骨表層的前后部及外部的膠原纖維也呈放射狀展開，最后以層狀纖維插入內周部，形成菱狀纖維網絡。層狀纖維集中的交匯形成板樣纖維，最終板樣纖維相互包繞構成中央層。半月板的膠原纖維大體呈環向排布的，環向纖維與徑向排布的膠原纖維和垂直排布的膠原纖維相互交織形成致密結構。Cui等[19]采用相似方法對盤狀半月板進行觀察后提出將盤狀半月板在橫斷面上分為7層，以中央層中心，表層、外層、內層在兩側對稱分布(見圖4)。股骨面的表層為致密的膠原纖維組成，膠原纖維分布均勻；脛骨面表層的膠原纖維分布雜亂而不均勻；外層為無特定走向的膠原纖維網絡；內層則是膠原纖維網絡集結成束的過渡層，其膠原纖維由半月板的外側朝向內側呈徑向走行；中心層為成束的膠原纖維組成。中心層可根據纖維走行方向分為前區、后區、內側區和外側區，內側區的膠原纖維無特定走向，前區和后區的纖維沿徑向走行起固定半月板作用，外側區與關節囊緊密錨定，因此Cui等[19]建議手術治療盤狀半月板時應當盡可能保存外周部分。Atay等[18]認為盤狀半月板的膠原纖維似退化樣散亂分布是導致其易于發生撕裂的主要原因。Papadopoulos等[20]發現環向膠原纖維不均勻，部分環狀排列膠原纖維發生退化。Choi等[21]研究同樣發現膠原纖維排列結構紊亂，但都屬于輕度紊亂，不具備明顯特異性。他認為即使在正常的半月板退化過程中也會出現這種紊亂的結構，無撕裂損傷的盤狀半月板的纖維結構與正常半月板無明顯差異，在半月板發生撕裂后細胞外基質會發生不同程度的退化或破壞。Bisicchia等[23]對盤狀半月板的電鏡觀察發現，膠原纖維的走行方向各異，在靠近組織的表面部分纖維的走向大致與表面平行，而在組織內部膠原纖維走向混亂并且交織成網，但是與Cui等[19]的結論不一致的是半月板脛骨表面的膠原纖維分布均勻，排列有序。關于盤狀半月板微觀結構的研究目前說法不一，大多數學者認為盤狀半月板微觀結構的變異主要是膠原纖維的數量減少和結構異常，由于取材受限目前對盤狀半月板結構尚無同一結論。

注：1-股骨側表層；2-股骨外層；3-股骨內層；4-中央層；5-脛骨內層；6-脛骨外層；7-脛骨側表層

3 盤狀半月板組織學與生物力學特性

半月板的組織學成分、結構與生物力學特性息息相關，半月板的生物力學特性主要與細胞外基質以及其微觀結構相關。如前所述，大多數研究均指出膠原纖維會直接影響半月板的生物力學特性，膠原纖維的含量和密度在一定程度上與半月板的抗拉力特性呈正相關。細胞外基質的其他成分也會對半月板的生物力學特性有某種程度的影響，水分和蛋白多糖也是形成半月板緩沖作用的關鍵因素，水分滲透性會在半月板負荷時產生阻力，有助于減緩壓縮形變，降低半月板受傷的風險[24]。蛋白多糖分散于膠原纖維之間，是以一個核心蛋白和數個糖胺聚糖相連構成。蛋白聚糖上的負電荷會將水分子吸納入半月板組織中，有利于半月板內的液體傳輸[25]。Bansal等[26]的研究指出在生長發育過程中，除了半月板的膠原纖維含量增加以外，蛋白多糖含量也會同步增加，生物力學測試則證明半月板的彈性程度與半月板的發育程度呈正相關，說明蛋白多糖與半月板的生物力學具有相關性。除此之外，這項研究通過二次諧波顯微鏡發現了半月板的膠原纖維在半月板生長發育中的演變，成年人半月板中的膠原纖維與胎兒半月板相比，膠原纖維排列更加規則、結合更為緊密。在力學測試中發現成熟半月板組織一旦發生缺損，對外力的負載能力會大幅下降，相反胎兒半月板卻不會發生明顯的載荷改變。出現這一現象的原因可能是胎兒半月板組織的膠原纖維更加具有可塑性，發生缺損時斷裂的膠原仍能接合來保持其負載能力。

細胞周基質是軟骨細胞周圍呈環形排列的基質條帶，與軟骨細胞共同構成軟骨細胞單位，主要作用為傳導生物力學和物理化學信號，細胞周基質的膠原纖維、基底膜聚糖等成分在一定程度也會影響半月板的生物力學特性[27]。細胞周基質中的膠原纖維主要以Ⅵ型膠原纖維為主，而這種類型的膠原纖維對軟骨細胞的增殖具有促進作用[28]，軟骨細胞增殖能力下降意味著半月板組織退變，這將導致半月板的生物力學發生改變。Ⅵ型膠原纖維除軟骨細胞促進作用以外，還有炎癥保護作用，因此Ⅵ型膠原纖維在半月板中的分布和含量可以間接決定半月板組織的強度和剛度。Zelenski等[29]研究證實在敲除小鼠Ⅵ型膠原纖維的相關基因后，骨關節炎發生的進程會加速。基底膜蛋白多糖(Perlecan)是一種硫酸乙酰肝素蛋白多糖，它與Ⅵ型膠原纖維以特殊的空間結構緊密結合，在骨基質中具有識別傳導力學信號作用。其信號傳導主要是通過將機械信號轉化為軟骨細胞內反應來發揮作用的，在半月板發生變形時，軟骨細胞會產生應力、靜水壓力、間質流體浮動、離子交換等改變，這些變化則通過軟骨細胞膜上的Na+/K+、Ca+等離子通道來傳遞[30]。而調控這些通道的關鍵結構為細胞周基質，基地膜蛋白多糖則可以幫助維持細胞周基質和軟骨細胞間的離子梯度[29]。

有學者認為半月板的生物力學特性會隨年齡的變化而變化，但是半月板生物力學與年齡相關性較低。Ferroni等[31]采用離體豬半月板進行生物力學與年齡相關性研究，在生物力學測試方面，對所有標本進行了徑向和周向的拉力和壓力測試，發現發育成熟的半月板不論在徑向或者周向力學的測試中都具有更好的負載能力。這項研究對膠原纖維的分布也進行了免疫熒光實驗，在發育尚未成熟的半月板組織內側中部和外側部均發現Ⅰ型膠原纖維和Ⅱ型膠原纖維的存在。然而，在半月板的內側部Ⅱ型膠原纖維的免疫熒光反應更強，因此他認為隨著半月板的不斷發育，Ⅱ型膠原纖維數量會增加，進而引起半月板生物力學的改變。但是這項研究并沒納入退變的半月板組織，因此沒有很好的概括出生物力學特性與半月板的關系。這項研究還指出半月板組織在成熟的過程中，蛋白多糖/脫氧核糖核酸與組織剛度呈正比，這一指標或許能作為評價半月板承受度和生物力學特性的指標。Nesbitt等[32]則首次對人半月板進行了生物力學與年齡相關研究，該研究將所獲取的半月板樣本以40歲為分組依據，對樣本進行垂直于環向膠原纖維和平行于環向膠原纖維的拉力實驗，最終發現在垂直于環向膠原纖維施加拉力，發生撕裂時年老組比年輕組的撕裂區域延展性降低了27%，發生撕裂區域可耐受的最大拉力降低了30%，總的來說，年老組較年輕組的半月板韌性降低了60%。相反在平行于環向膠原纖維施加拉力時，這些數據變化并不顯著。因此，他們認為隨著年齡的增長，首先影響半月板生物力學的因素為膠原纖維延展性的下降，而并非基質的改變。這些研究表明了半月板的生物力學特性在隨著半月板的發育而增強，到了某一特定年齡節點后便逐漸下降，但是目前尚無任何相關研究指出確切的機理和衰退節點。

盤狀半月板的膠原纖維較正常半月板存在密度和數量上的差異，這或許是導致盤狀半月板患者容易出現撕裂、彈響等癥狀的原因，但是所有關于盤狀關月板的推論仍沒有確切的實驗加以驗證。盤狀半月板生物力學特性與微觀結構之間聯系的探索會為盤狀半月板的病因學和治療研究提供線索。

4 盤狀半月板影像學研究現狀

隨著影像學技術的更新迭代，影像學檢查已經成為診斷盤狀半月板極具價值的輔助檢查手段。在診斷盤狀半月板的各種檢查中，關節鏡檢查雖然同時具有診斷作用和治療作用，但是其為有創檢查，并不適用于無癥狀盤狀半月板患者。無創影像學檢查中，最具有參考價值的是MRI檢查，其可以顯示半月板的形狀和判斷有無損傷，此外X線檢查和超聲也可輔助診斷盤狀半月板。X線檢查是骨科常用的影像學檢查，在接診懷疑盤狀半月板的患者時，首先應進行X線檢查，外側完全型盤狀半月板患者膝關節的非負重前后位X線片中，可以觀察到外側股骨髁與脛骨平臺的間隙增寬，而對側關節間隙正常或縮窄，這種特殊的征象又稱為鎖扣征或杯口征。Ha等[33]研究發現，10～16歲患病人群中有76.2%的患者具有上述影像學表現。Hino等[34]發現脛骨髁間隆起的寬度>13.9 mm和內側坡度角>17.1°對完全型盤狀半月板具有診斷價值。Milewski等[35]認為腓骨頭高度和外側膝關節間隙寬度值對診斷外側盤狀半月板具有參考意義。Lu等[36]認為外側髁凸角增大有助于診斷外側盤狀半月板。以上幾種方法的適用對象都局限在外側完全型盤狀半月板，實用性有待考究。超聲檢查與X線檢查、MRI檢查相比，具有簡便性、經濟性和無損傷性的優點，并且在大多數醫療機構中基本都配備了超聲檢查儀器，所以超聲診斷盤狀半月板具備良好的臨床應用價值。Akatsu等[37]對134例膝關節樣本采用高頻超聲進行檢查，并將采用關節鏡檢查進行驗證，發現高頻超聲診斷盤狀半月板的敏感性為80%。Yang等[38]利用超聲檢查對盤狀半月板的12個超聲特征參數進行測量并與正常半月板特征參數對比，發現利用超聲對半月板的前角、體部和后角進行測量可以診斷盤狀半月板。雖然超聲檢查方便易得，但是它也存在缺點。超聲的穿透性較X線和MRI差，脂肪和骨性結構對超聲檢查的干擾較大，最終可能導致檢查不能正常進行或檢查結果與實際情況存在較大差異。診斷盤狀半月板最常用的影像學檢查是MRI檢查，MRI對脂肪、肌肉、韌帶、肌腱以及軟骨等組織的顯像能力比超聲和X線高，且MRI技術經過不斷改進，對細微結構的顯像能力也有了巨大的提升。廣泛應用的盤狀半月板MRI診斷標準為：(1)冠狀位圖像上由前向后連續3張圖像上半月板體部厚度均>5 mm；(2)矢狀位圖像上半月板連續3張或以上圖像出現領結征；(3)半月板前角和后角不對稱；(4)冠狀位圖像上半月板完全覆蓋脛骨可診斷完全型盤狀半月板；(5)冠狀位圖像上半月板最大橫徑>15 mm。冠狀位圖像比矢狀位圖像更具診斷價值，冠狀位上半月板的內側游離緣貼近髁間隆起是重要的診斷依據。在盤狀半月板不合并損傷時，半月板最小橫徑與脛骨平臺最大橫徑比值達到20%即可診斷盤狀半月板。在盤狀半月板合并損傷時，矢狀位圖像上半月板前、后角最大橫徑之和與脛骨平臺最大橫徑之比大于75%可協助診斷。盤狀半月板患者往往會出現膝關節不穩定，Restrepo等[39]提出盤狀半月板膝關節不穩定的三大MRI表現：假性桶柄撕裂、半月板卷曲征和半月板旁水腫都是半月板不穩定的重要影像征象。Li等[8]發現盤狀半月板合并撕裂時會出現腘肌裂孔增大這一征象。雖然利用MRI技術診斷盤狀半月板已經比較成熟，但是對于一些合并撕裂的盤狀半月板的診斷仍存在困難。目前許多學者對特殊類型和合并撕裂的盤狀半月板進行MRI研究，以期發現新的診斷征象，優化診斷標準。

5 盤狀半月板治療現狀

盤狀半月板的治療方式多種多樣，主要包括關節鏡下半月板修復術、半月板次全切除術、半月板部分切除術和半月板全切除術。雖然半月板全切和次全切除術能夠在短期內緩解患者的疼痛癥狀，但是同時去除了膝關節的緩沖裝置，使關節軟骨和軟骨下骨發生退變，加速膝關節炎進展。生物力學研究發現，半月板可分散70%來自關節的壓力，如果完全切除半月板，關節面的受力會比以往增加200%，所以保持半月板結構完整性對保證正常膝關節具有重要意義。兒童患者行半月板次全切除術后并發脛骨結節骨軟骨炎的風險明顯增高，小兒盤狀半月板患者同樣不適用該術式。目前盤狀半月板的治療方式主要是半月板部分切除術和修復術。手術的目的不僅僅是緩解膝關節的疼痛等癥狀，更重要的增加膝關節的穩定性。許多學者對行半月板部分切除術時，應保留多少半月板組織進行了研究，目前的主流觀點是保留寬度為6～8 mm的半月板組織。保留一定寬度的半月板組織意義在于避免撞擊和發生撕裂。Yamasaki等[40]發現當半月板存留組織寬度<5 mm時，會導致關節退行性改變。由于盤狀半月板較正常半月板更加寬大，且就診時多合并半月板撕裂，所以應當在恰當處理撕裂的基礎上，保留不超過6～8 mm寬度的半月板組織。隨著組織工程學技術的發展，有學者提出采用同種異體移植或人造半月板來替代異常的半月板，這種移植技術已經開始應用于臨床治療，雖然半月板移植技術可以很好解決不可修復性半月板缺損，但是該技術仍存在缺陷，且長期療效尚不明確。

6 總結與展望

綜上所述，目前對盤狀半月板的微觀結構仍沒有一個確切的結論，這一領域研究較少的原因可能是因為盤狀半月板的標本較少，而且標本的收集困難，其中一個原因是因為患者僅在出現半月板撕裂癥狀時才主動就診，另一原因是很難收集到各分型的盤狀半月板的完整半月板標本。本研究納入國內外對盤狀半月板組織學研究的最新成果，首次對盤狀半月板的組織學和超微結構特征進行總結闡述。組織學與微觀結構的深入研究對盤狀半月板病因學、病例分型、力學特性、影像學、手術方式的選擇與改進帶來一定程度上的啟發和幫助。