人工关节磨损颗粒生物学特征研究进展

・　７８　・　国际骨科学杂志２００９年３月　第３Ｏ卷第２期Ｉｎｔ　Ｊ　Ｏｒｔｈｏｐ，Ｍａｒｃｈ　２５，２００９，Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．２　人工关节磨损颗粒生物学特征研究进展　丁悦秦础强　刘尚礼　人工关节置换术是治疗许多晚期关节疾患的有效方法，然而术后发生人工关节无菌性松动　摘要使人工关节面临翻修的难题。人工关节无菌性松动的发病机制目前尚未完全清楚，但由磨损颗粒诱导的　假体旁骨溶解被认为是最主要的因素。大量研究表明，磨损颗粒的特性与其引起的生物学反应密切相　关。该文就磨损颗粒的分类、大小、形状及其在人工关节无菌性松动中的作用等方面作一简要综述。　关键词磨损颗粒；无菌性松动；生物学特征；人工关节　全世界每年有超过１ｏ０万例关节置换手术。术后１０　年约１Ｏ　的病人可发生假体周围骨溶解及随之而来的人　工关节无菌『生松动＿＾　。目前对人工关节无菌性松动的具体　损低、产生颗粒少及生物活性低　的特点，但陶瓷材料易　碎，一旦发生相关并发症，给翻修造成一定的困难。　ＰＭＭＡ颗粒存在于应用骨水泥的人工关节置换术　中，以往认为人工关节无菌性松动是由骨水泥颗粒引起　的，称之为“骨水泥病”。但后来发现，在非骨水泥型人工　关节中同样可以发生无菌性松动，骨水泥颗粒只是引起　关节松动的颗粒之一。　２磨损颗粒生物毒性　发病过程尚不完全清楚，但认为是由多种因素，如磨损颗粒　因素、微动因素、应力遮挡因素、高液体压力因素等引起。　其中，磨损颗粒诱导的骨溶解被认为是最主要的因素。　１磨损颗粒分类　根据人工关节材料和固定方式的不同，磨损颗粒主　要有超高分子量聚乙烯（ＵＨＭｗＰＥ）颗粒、金属（钛合金、　钴铬合金）颗粒、氧化铝陶瓷颗粒、骨水泥（ＰＭＭＡ）颗粒　等。不同磨损颗粒的生物学特性各异。　在人工关节翻修手术中发现，ＵＨＭＷＰＥ颗粒是主要　的磨损颗粒。几乎在所有病例中均可见聚乙烯微粒，微粒　数量也最多。以往研究　表明，ＵＨＭＷＰＥ颗粒诱导巨噬　磨损颗粒的毒性可由磨损颗粒本身引起。Ｂｅｒｎａｒｄ　等　在体外试验中发现ＵＨＭｗＰＥ颗粒被人嗜中性粒细胞　吞噬后，可引起粒细胞失活，从而削弱机体对外来感染的抵　抗能力。Ｐａｐａｇｅｏｒｇｉｏｕ等＿１“］通过比较纳米级和微米级钴铬　合金颗粒对成纤维细胞的作用发现，纳米级钴铬合金颗粒　对成纤维细胞有较强的细胞毒性和基因毒性，它在细胞内　环境中可以产生更多的自由基，引起更大的ＤＮＡ损伤作　用，表现在引起更多染色体的非整倍体异常，更快引起电子　致密沉积物在细胞内沉积等。生物毒性也可以由颗粒引起　的金属离子引起（相对于金属颗粒而言），不同人工关节材　料配伍产生的离子种类和数量不同。金属离子被细胞摄取　后，可产生细胞毒性，引起一系列细胞凋亡或坏死，并可损　细胞产生炎症因子的能力比其他颗粒强。近年来，为了减　少人工关节磨损率，交联技术已应用于聚乙烯材料中。　Ｆｉｓｈｅｒ等　研究发现，高交联聚乙烯材料产生的颗粒直径　大小比传统的聚乙烯材料产生的要小。Ｉｎｇｒａｍ等　研究　发现高交联聚乙烯磨损颗粒的浓度在０．１“　／吞噬细胞，　就能诱导吞噬细胞产生大量的肿瘤坏死因子（ＴＮＦ）一ａ，而　普通聚乙烯磨损颗粒的浓度需达到１０　Ｍ　／吞噬细胞（或　以上）才能诱导吞噬细胞产生相同浓度的ＴＮＦ＿ａ，因此认　伤细胞内染色体＿１　。铬、镍、钴和钛金属可产生活性氧簇，　可对ＤＮＡ和蛋白质产生损伤。游离的或被吞噬的磨损颗　粒均可通过淋巴系统，或以颗粒或以离子的形式通过血液　为高交联聚乙烯的磨损颗粒较普通聚乙烯磨损颗粒具有　更强的生物学活性。但也有人［５　认为不同交联级的聚乙　烯颗粒在生物活性上无显著性差异，只不过产生颗粒的　数量不同而已。关于高交联聚乙烯颗粒的生物学活性的　高低，还需要进一步研究证实。　金属颗粒一般包括钛合金颗粒和钴铬合金颗粒，可　产生于金属一金属、金属一聚乙烯、金属一陶瓷人工关节假体　的配伍中。Ｂｒｏｗｎ等　一在金属一金属与金属一陶瓷人工髋　关节磨损模拟器中所提取出来的金属颗粒的形态及大小　无显著性差异。目前金属颗粒受到关注，主要是因为它　产生的离子具有生物毒性（见后述）。　许多研究证明，人工关节中的陶瓷一陶瓷或陶瓷一聚乙　烯配伍可以产生氧化铝颗粒。Ｍｉｎｏｄａ等　在应用ＭＰ　途径运送到全身。已有大量报道显示，全髋关节置换术后　病人，特别是金属一金属人工关节置换术后病人血清和尿液　中金属离子浓度升高　。Ｓａｖａｒｉｎｏ等　测定全髋关节置　换病人血清中铬、钴、铝、钛等金属离子浓度，发现金属一金　属人工关节明显比陶瓷一陶瓷人工关节产生更多的离子，因　此认为磨损颗粒的生物毒性是全身性的，当体内金属离子　积蓄升高到一定程度时，可诱发全身多器官多系统产生生　（ｍｅｄｉａｌ　ｐｉｖｏｔ）关节假体的动物体内模型中发现有氧化铝　颗粒存在，但其形状比金属颗粒圆，故推测其可能减少相　应的骨溶解和无菌性松动。尽管氧化铝陶瓷关节具有磨　作者单位：５１（）１２０广州，　中山大学附属第二医院骨科　物毒性作用。体内外实验研究＿１　表明，金属离子可对血液　系统、免疫系统、肝肾系统、呼吸系统、神经系统、心血管系　统产生各种各样的毒性。虽然目前尚缺乏全髋关节置换术　后释放的金属离子直接致病的相关临床试验和研究，但金　属颗粒的生物毒性已日益受到关注和重视。　３磨损颗粒与巨噬细胞相互作用　人工关节无菌『生松动时骨与假体之间的纤维界膜组织　中存在着大量磨损颗粒和细胞。巨噬细胞在人工关节无菌　性松动中所扮演的角色有两部分，一是作为磨损颗粒在体内　识别和启动的最主要细胞，通过释放细胞因子对机体起防御　国际骨科学杂志２００９年３月　第３Ｏ卷第２期Ｉｎｔ　Ｊ　Ｏｒｔｈｏｐ，Ｍａｒｃｈ　２５，２００９，Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．２　・　７９　・　反应；二是作为破骨细胞的前体，启动后可引起骨溶解。　小的磨损颗粒（＜１０　ｆｉｅ）被巨噬细胞吞噬后，产生一　ｒ系列炎症因子，诱导骨溶解及无菌　松动，而大的颗粒虽不　被吞噬，但能被巨噬细胞所包裹，同样能刺激巨噬细胞分泌　炎症因子，引起炎症反应。Ｚｙｓｋ等。　在体内试验中发现直　径为０．５　ｍ、２．０　ｆｆｍ和７５　ｍ的聚乙烯均能引起白细胞　与内皮细胞相互作用并发生组织学改变，说明不同大小的　磨损颗粒均可以引起炎症反应。当然，反应最强、数量最多　自由基，激活神经鞘磷脂酶和发生细胞膜过氧化反应，而　水解的神经鞘磷脂可以通过核因子（ＮＦ）一出途径及诱导　骨吸收基因，启动巨噬细胞释放ＴＮ卜ａ。还有研究¨２　认　为磨损颗粒可以通过内毒素启动巨噬细胞，因为巨噬细　胞上也有特异的内毒素受体（ＣＤ１４、Ｔｏｌｌ样受体），提示内　毒素可能参与假体周围骨溶解的启动。　巨噬细胞识别并吞噬磨损颗粒后，可分泌一系列炎症　因子，目前已确认的有ＴＮＦ－ａ、ＩＬ－６、ＩＩ　１ｂ、ＲＡＮＫＬ、前列腺　的主要是直径小于１．０　ｆｍ的颗粒。Ｂｅｎｚ等　胡经透射电镜　素（ＰＧ）Ｅ２等，其数量和种类依磨损颗粒的大小、数量、种类　对翻修的髋关节界膜组织的观察发现，巨噬细胞吞噬的磨　损颗粒中７５　直径小于０．５／，ｍ，９０　小于１．０　ｆｆｍ。扫描　电镜观察显示磨损颗粒形态不一，多数颗粒为表面不规则　的类球形或呈棒状和丝状。Ｆａｎｇ等　研究发现，球状颗粒　比同样数量的长条状颗粒更易被巨噬细胞所吞噬。不同形　状颗粒所产生的生物学效应的强弱，还有待进一步研究。　磨损颗粒通过哪些途径激活巨噬细胞，目前尚未完　全清楚。单核一巨噬细胞的启动方式分为两大类＿　１，一种　是经典激活方式（ｃｌａｓｓｉｃ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｍａｃｒｏｐｈａｇｅｓ，ＣａＭｄ）），单　核细胞被革兰阴性细菌产物如脂多糖（ＬＰＳ）或Ｉ型辅助Ｔ　淋巴细胞因子（Ｔｈ１）启动，表达ＴＮＦ＿ａ、基质金属蛋白酶　（ＭＭＰ）一７等致炎因子，多存在于急性炎症组织中，参与　组织破坏，抑制组织修复；另一种为选择性激活方式　（ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｍａｃｒｏｐｈａｇｅｓ，ＡａＭｑｂ），单核细胞在低　氧环境中或被转化生长因子（ＴＧＦ）一ａ、ＴＮＦ＿ａ、Ⅱ型辅助Ｔ　淋巴细胞因子（Ｔｈ２）等因素启动。选择性激活的巨噬细　胞表达白细胞介素（ＩＬ）一１０、ＴＮＦ＿ａ、血小板源性生长因子　（ＰＤＧＦ）等细胞因子，参与组织的修复和血管化等。我们　研究发现人工关节假体周围组织中存在着不同亚群巨噬　细胞，这些巨噬细胞处在不同的炎症期（包括急性、亚急　性和慢性），其中吞噬了磨损颗粒的巨噬细胞可产生大量　ＴＮＦ－ａ、ＩＬ－６、Ｉ　１ｂ和细胞核因子一ＫＢ受体活化因子配体　（ＲＡＮＫＬ），故认为在假体周围组织中同时存在着　Ｍｄ）　和ＡａＭ０ｐ，但是以何种激活方式为主，尚需进一步研究。　丝裂原活化蛋白激酶（ＭＡＰＫ）通路是参与细胞生　长、发育、分裂、分化等多种细胞生理过程的重要细胞通　路。研究　发现，磨损颗粒作用于巨噬细胞可通过细胞　外信号调节激酶（ＥＲＫ１／２）、ｐ３８ＭＡＰＫ和ｃ－Ｊｕｎ氨基末　端激酶（ＪＮＫ）途径。钛颗粒和ＰＭＭＡ颗粒可以诱导上　述ＭＡＰＫ家族成员的快速激活，相反，抑制ＭＡＰＫ信号　的激活可以减少这些磨损颗粒诱导的前炎症介质释　放ｌ２。］，提示ＭＡＰＫ在信号从颗粒一细胞产生并传导到细　胞核的过程中起着关键作用。在动物模型中，ｐ３８抑制剂　可以治疗炎症性骨破坏，证实ｐ３８ＭＡＰＫ信号途径抑制　剂可以预防多发性骨髓瘤引起的骨溶解疾病＿２　。另外，　Ｒａｋｓｈｉｔ等　还发现ＭＡＰＫ可以调节钛颗粒和ＰＭＭＡ　颗粒诱导表达破骨细胞细胞因子信号传导抑制因子３　（ＳＯＣＳ３）的能力，提示ＭＡＰＫ通路可以尝试作为人工关　节无菌性松动及骨溶解的治疗靶点。　磨损颗粒也可以不依赖吞噬作用而激活巨噬细胞。　Ｓｏｌｏｖｉｅｖ等　研究发现，磨损颗粒可以诱导巨噬细胞产生　而不同。成纤维细胞吞噬钛颗粒后通过环氧化酶（ＣＯＸ）一２　途径可分泌ＰＧ　、ＩＩ，６【－　］。除此之外，巨噬细胞受磨损颗　粒刺激后还可释放血管内皮细胞生长因子（ＶＥＧＦ）。　Ｓｐａｎｏｇｌｅ等　研究发现ＶＥＧＦ在发生骨溶解的假体周围增　多，而且产生ＶＥＧＦ的（］［瑚　、ＣＤＩｌｂ　巨噬细胞数量也明显　增多，至于两者是否有直接的关联，还有待进一步证明。　磨损颗粒除了刺激巨噬细胞产生前炎症介质外，还　可以引起巨噬细胞、多核巨细胞、Ｔ淋巴细胞的凋亡。　Ｌａｎｄｇｒａｅｂｅｒ等　研究发现，动物模型松动假体的周围存　在过量的ｐ５３和ＢＡＫ表达（两者均为重要的凋亡调节因　子），上述细胞的凋亡是否可以成为人工关节无菌性松动　的治疗靶点，还需进一步研究证实。　４磨损颗粒与破骨细胞、成骨细胞相互作用　破骨细胞来源于单核一巨噬细胞谱系，单核一巨噬细胞　在磨损颗粒的作用下，分化成为破骨前体细胞，破骨前体　细胞再进一步分化为有骨吸收功能的破骨细胞。在这个　分化过程中，磨损颗粒所起的作用比较复杂，一般认为可　分为直接作用和问接作用。直接作用可包括，抗破骨细　胞形成的干扰素７信号可被钛颗粒所抑制；抑制破骨前　体细胞分化的ＩＬ－６信号转导也可被钛颗粒和ＰＭＭＡ颗　粒所抑制　。间接作用是指引起颗粒刺激巨噬细胞等产　生的促炎症因子激活破骨细胞，如ＴＮ卜ａ可促进Ｔ细胞　产生巨噬细胞集落刺激因子（Ｍ－ＣＳＦ），并促进成骨细胞　和其他细胞分泌ＲＡＮＫＬ，进而促进破骨细胞分化　；与　破骨前体细胞ｐ５５和ｐ７５　ＴＮＦ受体结合而直接使其向破　骨细胞分化；抑制成骨细胞分化的关键转录因子核心结　合因子（Ｃｂｆ）　１，使其分化受阻；与破骨前体细胞上的　ＴＮＦ受体（ＴＮＦＲ）１和ＴＮＦＲ２结合，通过一系列信号途　径调节破骨细胞的分化、激活和凋亡。　在磨损颗粒与破骨细胞相互作用并引起骨溶解的机　制中，最重要的是ＲＡＮＫＬ、核因子一　Ｂ受体活化因子　（ＲＡＮＫ）与骨保护素（ＯＰＧ）。破骨细胞的形成需要一定　浓度的Ｍ－ＣＳＦ与ＲＡＮＫＬ。ＲＡＮＫＩ　是破骨细胞产生和　启动的关键细胞因子，它可与破骨前体细胞表面表达的　ＲＡＮＫ结合，促使破骨前体细胞分化成熟为有溶骨活性　的破骨前体细胞，这个过程需要活性因子Ｍ－ＣＳＦ参与，　它与Ｒ　ＫＬ同样可由成骨细胞或骨髓基质细胞所表　达。成骨细胞可分泌ＯＰＧ，可与ＲＡＮＫＩ　竞争性结合，阻　止ＲＡＮＫＬ与ＲＡＮＫ结合，从而抑制破骨细胞形成。成　骨细胞和骨髓基质细胞表达的ＲＡＮＫＬ和ＯＰＧ在正常　生理状态下保持平衡状态，使成骨和破骨趋于稳定，而人