同種異體骨軟骨移植治療軟骨損傷的歷史

張城銘,段王平,馬永勝,衛小春

(山西醫科大學第二醫院骨科,骨與軟組織損傷修復山西省重點實驗室,山西 太原 030001)

關節軟骨是一種具有復雜結構的特殊組織,由細胞外基質及少量的軟骨細胞構成,沒有血管、淋巴管及神經支配。創傷、剝脫性骨軟骨炎、關節軟組織損傷、類風濕性關節炎等病因均可導致關節軟骨損傷,可累及關節軟骨和軟骨下骨。由于軟骨組織缺乏血管,再生能力較差,損傷后幾乎無法自愈,如果不及時治療,軟骨損傷可能會導致關節腫脹和疼痛,最終發展為骨關節炎。關節軟骨損傷在臨床治療中是極具挑戰性的難題,在過去的幾個世紀中幾乎被認為是無法治療的頑疾。William Hunter于1743年指出:從希波克拉底時期至今,軟骨損傷一直是一種棘手的疾病,軟骨一旦被破壞,就無法修復[1]。從那時起,臨床醫生一直在努力尋找可靠的方法來修復關節軟骨損傷。經歷近4個世紀的研究與臨床實踐,目前已有多種技術被證明可以修復關節軟骨損傷,其中同種異體骨軟骨移植(osteochondral allograft transplantation,OCA)是治療局限性大塊關節軟骨損傷的有效手段。OCA的發展主要經歷了初步嘗試階段、探索研究階段、應用推廣階段,至今OCA已在北美、歐洲、巴西等地區廣泛開展,并為大量關節軟骨損傷的患者帶來康復機會。

1 OCA的初步嘗試階段

20世紀初期,Erich Lexer(見圖1)[2]第1次將整個關節連同半月板和韌帶(不包括關節囊)進行移植,這種手術主要應用于化膿性關節炎所導致的關節強直,但該手術很快就被Lexer放棄,并被更簡單的手術所取代:移植脂肪組織或筋膜的關節成形術[3]。Lexer于1908年首次使用截肢患者的新鮮同種異體骨軟骨移植物治療了1位38歲的男性脛骨近端骨肉瘤患者并就該病例隨訪了8個月,隨訪結果為“優秀”,這是歷史上第1例有記錄的接受OCA的患者[3]。Lexer于1908年發表了3種不同方法進行“關節異體移植”的研究,其中包括半關節置換術、關節面置換術和全關節移植(包括關節囊),所有的移植物均來自于新鮮的截肢患者[3]。Lexer使用上述方法進行了23例關節移植術,其中12例移植成功并保持了數年的活動能力。然而隨訪記錄顯示在移植后期患者出現了廣泛的關節炎變化,活動能力下降且關節疼痛逐漸加重[3]。限于當時醫學技術的認知范疇,他承認關節移植不是一種完全可靠的技術,不能保證手術的成功與良好的預后[3]。自20世紀20年代至20世紀30年代,Lexer記錄了34例部分膝關節(11例)或全膝關節(23例)同種異體移植手術,成功率超過了50%[4]。在此之后仍有一些骨軟骨移植的病例報道,主要被用來治療大塊骨缺損[5]及股骨頭包蟲病[6]。在OCA早期發展的數十年中,少數臨床醫生進行了一些例數不多的臨床試驗探索該技術治療大塊骨缺損及并發軟骨缺損的可能性,主要目的是為了解決骨腫瘤等疾病切除后骨的節段性丟失,并非針對單純的關節軟骨損傷,且對移植物的保存、生物安全性、免疫排斥反應等基礎研究缺乏探索,此時OCA處于初步嘗試階段。

圖1 Erich Lexer(1867—1937)[2]

2 OCA的探索研究階段

盡管OCA在臨床應用中沉寂了很久,但研究者們仍然繼續著該技術的基礎研究。20世紀50年代,Herndon等[7]證明了低溫保存的同種異體骨的免疫原性明顯降低,從而降低了骨移植的排異性,隨后他與Curtiss等[8-10]于1956年合作研究了OCA免疫排異反應的產生及不同保存方式對組織抗原特性的影響,使學界重新燃起了對同種異體骨軟骨移植的興趣。這些研究也得到了Imamliev[11]、Burwell[12-14]、Chalmers[15]和Bonfiglio等[16]的證實、完善和發展。1961年Pap[17]對狗進行OCA移植并發現移植物可以長期存活,此后Ehalt等[17-19]在此基礎上也進行了大量的研究以證明同種異體關節軟骨和松質骨可以與周圍組織融合且可以保證移植軟骨的活性。這些研究證實了若處理得當,OCA可以很好地修復骨軟骨缺損并長期存活,為OCA的臨床應用奠定了基礎。

伴隨著骨軟骨移植基礎研究的探索,20世紀70年代初出現了更多的OCA臨床研究。1970年,莫斯科創傷骨科中心的Volkov[20]發表了應用于骨腫瘤切除術后關節同種異體移植的研究,Volkov的研究結果顯示15例部分骨軟骨移植均有良好遠期療效。Ottolenghi[21]于1972年報道了62例骨關節或干骺端OCA移植的結果,其主要病因為骨腫瘤切除術后的骨軟骨缺損,移植物被放置在冷凍環境中,在獲取6個月內使用。Ottolenghi的報道顯示接受移植后59%的患者最終獲得了良好的結果,且接受同種異體骨軟骨移植患者即使出現移植物壞死的跡象,患者關節活動范圍仍然較好且無疼痛癥狀,這證明了部分異體骨軟骨移植在關節疾病的治療中是可行的。1973年Parrish[22]發表了對長骨末端腫瘤患者進行OCA移植的結果,最終的隨訪結果顯示接受移植手術的16例患者肢體仍能保存,3例患者截肢,1例患者失訪,患者的臨床結局和功能狀態差異較大。1976年Mankin等[23]對15例侵襲性骨腫瘤患者進行了OCA移植,隨訪近2年后除了2例移植物感染外,其余患者均未發生轉移、局部復發或關節功能障礙。研究人員在OCA的探索階段開展了大量骨軟骨移植物基礎研究,如移植物的獲取、保存、免疫反應等。隨著基礎研究的逐漸深入,OCA逐漸被臨床醫生所接受并開展了一系列臨床應用,獲得了較為滿意的療效,但此時OCA仍然主要應用于骨腫瘤切除后大塊骨缺損修復,并不專門針對關節軟骨進行修復。上述研究表明盡管同種異體骨軟骨移植此時仍處于探索研究階段,但是將這種技術應用在骨關節疾病中的潛力是巨大的,并為后續研究奠定了基礎。

3 OCA的應用推廣階段

隨著異體骨軟骨移植相關基礎研究的不斷深入,研究者已經認識到異體骨軟骨移植后可以替代原有的組織恢復關節軟骨組織的生物及力學功能,且與腎移植等器官移植不同,移植后免疫排異反應并不明顯。骨科醫生逐漸將OCA的臨床應用推廣至關節軟骨損傷修復的治療。1962年Waganr[24]使用了關節外逆行鉆孔和自體軟骨移植技術來修復關節軟骨缺損,這是第1例應用于關節軟骨損傷修復的骨軟骨移植。真正將OCA廣泛應用于關節軟骨缺損的先驅是Allan Gross。Gross團隊[25]于1974年使用冷凍或新鮮骨關節組織進行同種異體移植后,在宿主動物中檢測到了體液和細胞毒性免疫反應,1978年他們進一步發現相對于骨細胞,軟骨細胞不具有免疫原性,因為周圍的軟骨基質可以保護它們免受免疫細胞的攻擊,這些發現使他們開始嘗試以軟骨修復為主的OCA的開發[26]。Gross與其團隊[27]在加拿大多倫多地區于1975年首次使用OCA治療了8例膝骨關節炎患者,術后隨訪了6～24個月,所有患者均未產生免疫排斥反應且膝關節活動范圍良好。他們在1例患者中進行軟骨活性檢測也證實了移植14個月后軟骨移植物活性仍然良好[27]。自此之后,Gross持續在關節退變、創傷和腫瘤的患者中推廣這一技術,他在1983年發表了110例膝關節骨軟骨移植的結果[28],接受移植的病例包括膝骨關節炎患者、創傷性軟骨缺損和腫瘤性疾病引起的骨骼缺損等,取得了良好的治療效果。1985年Gross團隊發表了100例接受OCA患者的術后長期隨訪結果,其中創傷性軟骨缺損患者的治療結果最好,成功率達到75%,但長期隨訪后因骨關節炎接受移植患者的總體治療效果不佳[29]。1986年Garrett[30]也發表了使用新鮮同種異體骨軟骨移植治療24例年輕股骨髁缺損患者的早期結果,該研究結果顯示所有患者的癥狀均在最終隨訪中有所改善,他還通過關節鏡檢查了其中11個同種異體骨軟骨移植物的轉歸,發現移植物良好地長入缺損部位并成功修復缺損。1993年Garrett[31]在關于OCA的總結中指出OCA是治療剝脫性骨軟骨炎的極佳選擇,此后OCA逐漸被作為治療剝脫性骨軟骨炎的標準治療方式并沿用至今。1992年Gross團隊發表了一項98例患者的新鮮膝關節OCA手術的長期隨訪調查,該研究術后隨訪結果顯示移植后5年、10年和14年移植物存活率分別為75%、64%和64%,該研究發現骨軟骨移植物的存活更多地取決于生物力學因素,而不是移植物排斥[32]。1998年Fitzpatrick等[33]就新鮮OCA應用于脛骨平臺和髕骨軟骨缺損進行了術后長期隨訪,結果顯示患者術后癥狀均明顯改善。與此同時Chu等[34]也在美國加利福尼亞州圣迭戈地區的關節軟骨缺損患者中開展了OCA應用,他們于1999年發布了55例創傷性關節軟骨缺損患者接受OCA后的隨訪結果,其結果顯示76%的病例恢復良好,其中單極損傷的患者中84%恢復了膝關節正常活動,雙極損傷的患者恢復率為50%。2005年Gross[35]發表了針對創傷性軟骨缺損患者進行OCA的長期隨訪,結果顯示骨軟骨移植物的5年生存率為95%,10年生存率為80%,15年生存率為65%,這項長期隨訪顯示出OCA在修復年輕患者膝關節缺損方面的巨大價值。

自此之后,OCA在關節軟骨缺損方面獲得了極大的關注并由膝關節逐漸拓展至其他關節,1983年來自美國德克薩斯州的Meyers等[36]發表了20例年輕的患有股骨頭壞死及塌陷的患者進行新鮮骨軟骨同種異體移植的研究,經過2年的隨訪后,手術總體成功率為71%。隨著新鮮同種異體骨軟骨移植在膝關節及髖關節軟骨缺損治療中的大獲成功,這一技術逐漸被應用于足踝[37-38]、肩肘[39-43]、髕股關節[44]等更多領域。最近發表的長期隨訪研究也證實了骨軟骨移植物具有良好的長期存活率[45-47],其治療關節軟骨缺損的療效是可靠的。2017年在踝關節軟骨修復國際共識會議上形成了專家共識[48],推薦使用OCA進行踝關節缺損的修復。2020年28名專家就髕股關節損傷的修復手段達成共識[49],推薦在病變出現骨贅或需要翻修時首選OCA修復,多項共識的確立表明OCA已經成為上述關節軟骨損傷的標準治療方式之一。

1983年Gross等[28]于加拿大的多倫多地區主持開發了第1個骨軟骨移植庫,形成了OCA移植的組織系統并運行至今,成為了OCA應用的典范。至1998年前北美地區建立了2個可用于臨床的采集、處理和儲存新鮮骨軟骨組織的系統[50-51],在20世紀90年代末至21世紀初,美國制定并由食品與藥品監督管理局監督了新鮮OCA組織庫的無菌采購和處理指南并進行了商業化發展[50,52],關于商業化發展OCA的衛生經濟學研究結果表明:高昂的組織購買及治療費用為患者帶來了負擔,存在一定爭議,但相對于關節軟骨損傷后長期康復并早期進行置換膝關節置換產生的大量費用,OCA產生的經濟效益與節約的社會成本仍是巨大的[53]。1997年在歐盟范圍內也形成了肌肉及骨軟骨組織庫的通用標準[54],并在意大利、德國、芬蘭、丹麥等國相繼由醫院或研究所建立了肌肉及骨軟骨組織庫。如今在加拿大、美國[55]、巴西[56]、意大利[57]等國已經建立了完善的骨軟骨移植組織系統,在供體信息及移植物采集與管理、受體的選擇與規范化的手術技術、并發癥的處理與術后康復等方面,已經形成完善且有效的體系。

在取得這些令人鼓舞的結果的同時,OCA的基礎研究也更加深入,這一時期移植物通常被保存在冷凍條件下或新鮮使用,冷凍可以使移植物保存較長的時間并降低其免疫原性,冷凍標準通常被設定在-80 ℃～-70 ℃之間。但1984年Tomford等[58]發現冷凍保存移植物會導致50%～90%的軟骨細胞死亡,當這種移植物應用于關節軟骨損傷時移植效果不佳。為了改善移植效果,研究人員開始使用不同的冷凍方法來保存骨軟骨移植物,此外,在冷凍過程中還使用了保護劑,例如林格氏乳酸鹽、乙二醇、二甲基亞砜或甘油,以最大限度減少軟骨細胞的死亡,但其結果仍不穩定。1992年Tomford等[59]總結過去的研究,認為新鮮保存的骨軟骨移植物適合應用于治療剝離性骨軟骨炎、創傷性缺損和骨壞死,冷凍保存的骨軟骨移植物則更適合應用于治療骨腫瘤術后的大塊骨缺損。觀念的轉變使得OCA應用于關節軟骨損傷為主的臨床治療時逐漸轉變為新鮮保存并在組織獲取28 d內完成植入。隨著技術的進步,逐漸形成了更好的同種異體骨軟骨移植物的獲取、處理、保存和植入方法[60-62]。

在容易獲得新鮮骨軟骨組織的地區,OCA已經成為治療骨軟骨損傷的有效手段。然而由于捐贈體系、監管、成本效益和醫療技術的限制等難以克服的問題[63-64],OCA體系尚未在世界上的大多數國家得到應用。OCA發展任重而道遠,應當在臨床實踐與科研探索中不斷完善OCA的“中國模式”,共同創造和見證骨軟骨捐獻與關節軟骨修復事業的美好未來。