膝关节骨关节炎生物力学的研究进展

张启栋，郭万首★

（1.北京协和医学院 研究生院，北京 100730；2.中日友好医院 骨关节外科，北京 100029）

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种以软骨磨损为特点的退行性关节病，主要发生在中老年人，严重困扰人民健康，使至少10%的人丧失劳动能力。流行病学的研究估计，仅在美国大约有4300万人受影响，全世界大约有15%人口受到困扰。它不仅给社会，也给患者带来巨大的心理和经济负担[1]。OA通常被认为是一个多因素导致的关节病，包括机械应力增加、力线异常、软骨退化、软骨下骨改变和肌肉软组织损伤。继发滑膜炎也在OA发生发展中扮演了重要的角色，尤其在早期阶段。生物力学在OA发生发展中的作用更是越来越受到人们重视。目前有研究指出，生物力学因素在OA发病中起到了瀑布效应[2]。本文将主要对OA发生发展的不同生物力学因素进行讨论，现综述如下。

1 生物力学

OA多发生于负重大的关节，尤其多见于膝关节。但有趣的是，膝关节解剖学关节面比踝关节要大，单位面积承担的负荷要小 （500N负荷：踝关节350mm2，膝关节11120mm2），但其原发性OA比踝关节多发，而踝关节多为继发性OA。出现这一现象，运动生物力学可能是其主要原因。膝关节通常被认为是铰链关节。股骨内外侧髁大小不等，类似凸轮结构，因此膝关节在屈伸活动中，不仅包含屈伸活动，还包括旋转、前后滚动等运动。更重要的是，膝关节各区域表面软骨厚度不一，胫骨外侧平台厚，内侧薄。适当的机械负荷对维持生理关节的平衡提供必要刺激，而过度的机械负荷却导致OA发生。在前十字韧带损伤的患者，其膝关节生物力学变化更为明显，其前后稳定性、旋转稳定性破坏，局部软骨承受的剪力和应力增大，因此前十字韧带损伤的患者15年内60%～90%会继发OA。OA患者，股骨在胫骨上的滚动幅度降低，伸膝时的锁扣机制功能障碍，进一步会加重OA。

2 机械轴

下肢的机械轴或下肢力线被定义为从股骨头中心向距骨中心划线，此线通过胫骨平台中央，大约1°内翻（中立力线0～2°）。膝关节的内侧间室承载60%～70%的负荷。这种生理上的应力分配不平衡可能是导致内侧间室软骨退变的诱发因素。Sharma研究表明，内翻畸形导致内侧膝关节OA进展风险3.59倍，而降低外侧间室OA发生可能；外翻畸形增加外侧间室OA风险4.85倍，而降低内侧间室OA炎发生[3]。Felson等人对多中心骨关节炎研究发现，对于没有影像学OA的患者，外翻＞3°增加OA发生风险2.5倍，若通过MRI检查，则增加风险5.9倍，外翻畸形是增加外侧间室OA发生发展的风险因素[4]。Moyer等人应用步态三维分析和站立全长X线进行评价，发现力线不正不仅对膝关节静态负荷有影响，对膝关节动态载荷也是有明显影响，每增加1°内翻，膝关节负荷增加3.2Nm[5]。

3 机械应力

膝关节在运动中反复、过度、重复的应力作用下，更容易出现软骨破坏。Dabiri等研究发现，膝关节应力增加，退变关节软骨的流体压力降低，而剪切力增加，关节软骨退变加剧[6]。Gardner等人应用大鼠进行动物模型研究，每增加10%体重内翻应力，胫股关节压力峰值增加0.042MKp，内侧间室软骨退变加速[7]。Jones对美国马萨诸塞州东部城镇弗雷明汉的一个病例系列进行研究，152例影像学膝内翻者，90%于10年内进展为内侧间室骨关节炎，而使用足垫减少内侧间室应力，OA发生率降低4.84%[8]。

肥胖导致膝关节单位面积负荷增大，是目前公认的OA发病危险因素之一。Martin等人对1946年出生的人群为基础的前瞻性队列研究，分析2597膝，体重指数是OA最重要的危险因素[9]。Ackerman对5000例澳大利亚人的调查发现，肥胖明显增加关节负荷，体重指数（BMI）为25～29.9kg/m2的超重者和BMI≥30kg/m2的肥胖者膝OA发病率较BMI＜25kg/m2的体重正常者明显升高（OR 2.11，95%CI 1.07～4.15；OR 7.35，95%CI 3.85～14.02）[10]。

4 动态负荷影响

静态负荷对OA病理生理学有着显著的影响，但它们不能完全反映人们运动过程中产生的动态负荷。膝关节在运动、正常行走时所产生的动态负荷是站立时3～5倍，特别是在步行中和站起时，膝关节所受剪切力达最大[11]。Hall等人研究发现，爬楼梯明显增加了膝关节内压力峰值，从而导致膝关节OA[12]。Martin等人对2597膝的研究发现，男性长期从事高负荷、过度屈伸等工作，后期易发生OA[9]。动态负荷的研究需要通过使用关节内压力测量设备测量，但在人体难以直接操作。然而，在动物模型中观察到，过度的动态负荷可以导致软骨破坏和OA进展[2]。

步态分析可以对膝关节动态负荷进行间接分析研究，其无创且可以较容易的重复，因此在人体研究中被广泛采用。在步态分析中，视频摄像头和地面反作用力感受板记录数据，将这些关节外“运动瞬间”负荷数据转换成关节内部对应“运动瞬间”的数据，如扭转力或旋转力。它可以定量计算瞬间力和力臂对应的数值。内翻膝“内收时刻”（adduction moment，ADM）代表在膝关节内翻扭矩，由地面反作用力（ground reaction force，GRF）和由膝关节中心向地面的GRF向量距离决定。这些参数的任何改变，ADM都会受到影响。Yang等人在最近的一项研究表明，步态中站立相，膝关节软骨的最大值应力和扭转力与ADM峰值相关。在站立相早期和晚期，膝关节有一外翻瞬间，膝外侧室受到一个最大压应力。在步态中大部分时相（约25%～75%步态周期），膝处于内翻状态，膝内侧室受压应力最大。此外，他们还发现，膝内翻患者与正常或膝外翻的患者相比，膝关节压应力增加明显[13]。Miyazaki等研究74例OA患者，发现每增加一个单位的ADM峰值，X线上内侧间室OA进展风险增加6.5倍[14]。此外，Bennell等研究发现，ADM直接与影像学表现、软骨损伤和疼痛相关[15]。ADM也存在一定的局限性，它只反映步态周期中具体时间的负荷情况，不能完全反映不同步态时期、不同行走速度和站立时相的全部运动状态。有研究表明，降低ADM并不能降低内侧间室应力[16]。

5 韧带不稳定和肌肉无力

除了软骨损伤，韧带、肌肉和神经机械力学环境改变也是OA发生发展的重要因素。在膝关节OA中，经常可观察到慢性韧带松弛。韧带的不稳定导致关节活动和旋转处于病理状态，从而增加对软骨面剪切力。此外，膝关节内侧或外侧韧带慢性不稳定，将导致后足内翻或外翻畸形进展，进而导致压力分布异常和OA的进展加速。肌肉无力和感觉缺失也可以导致OA，且肌肉无力是导致OA出现症状的最主要也是最常见的原因[17]。OA也可以导致肌肉萎缩，本体感觉改变，步态异常。Stensrud报道，膝关节退行性半月板撕裂的中年患者大约50%存在股四头肌肌力下降、下肢功能障碍，与未受伤的膝关节相比，二者差异在10%以上[18]。然而，是OA导致肌肉无力和萎缩，还是其导致OA，目前尚不明确。Peat等人观察发现肌肉无力与髌股关节OA密切相关，其增加膝关节疼痛[19]。Slemenda等人观察发现肌肉无力与关节间隙变窄相关，在老年妇女，其增加膝关节疼痛几率和促进OA发展[20]。Jens研究表明，膝关节OA与膝腘绳肌肌力显著相关。然而，疾病的严重程度没有影响肌肉的强度和动态膝内侧关节负荷的关系[21]。

6 生物力学和软骨下骨

软骨下骨可为关节软骨缓冲部分膝关节冲击载荷，因此软骨下骨病变在膝OA发病生物力学过程中起着重要作用。Bellido等用动物模型对软骨下骨进行研究，认为软骨下骨的微结构改变与活跃的骨重建相关，促进了软骨的退变。OA发生之初，软骨下骨骨吸收活跃，发生骨质疏松，骨密度下降。由于关节负荷没有减轻，为了维持力学性能，代偿性地引起骨形成活跃。然而软骨下骨异常的高转换引起的新生骨组织矿化不全，故表现为骨量增加而单位体积骨密度下降。因此，OA软骨下骨改变是以高转换为背景的骨重建（骨吸收／骨形成）。应用甲状旁腺激素，提高软骨下骨微结构和重塑，对于防止兔早期软骨损伤的进展有作用[22]。早期OA，软骨下骨出现骨密度降低，然而在后期，放射学却表现为软骨下骨硬化和骨密度增高。通过评估软骨下骨硬化骨密度表明，软骨下骨密度可以预测软骨缺损的发展等[22，23]。功能CT像研究，软骨下骨在进展期OA呈现出负荷依赖性反应。软骨下骨出现新的血管和神经纤维，也可能参与OA的发病机制和引起疼痛。软骨下骨和软骨之间的相互作用对OA发生发展至关重要，但目前还不清楚软骨下骨损伤是导致软骨损伤的原因还是后果。

7 生物力学和炎症

关节炎症是OA早期阶段重要特征，大约50%的OA病例存在滑膜炎。从病理生理上讲，滑膜炎导致致炎细胞因子分泌，如肿瘤坏死因子α、白细胞介素1（IL-1）、或白细胞介素（IL-6）。关节液中炎症细胞因子平衡受损，诱导蛋白酶如金属蛋白酶或聚糖酶分泌，导致软骨退变和炎症反应，一旦液体进入软骨下骨，可导致软骨下囊肿形成。基于体外机械负荷实验，目前认为，压力负荷损害导致蛋白多糖和胶原蛋白网损坏，从而软骨损伤。炎症细胞起反应，分泌炎症介质，导致和引起滑膜炎[24]。除了滑膜，关节内脂肪体也可分泌促纤维化细胞因子如IL-6[25]。有趣的是，关节运动诱导的IL-10的表达是一个强有力的抗炎因子[26]。可能抗炎因子IL-10的表达缺乏，导致生物学反应不足，从而引起OA。因此，在OA发生发展过程中，不仅在产生炎症，而且抗炎因子的缺乏也可能是其发生发展的重要原因。Messier等人报道，通过饮食及运动控制体重18个月后，可以降低膝关节OA患者IL-6水平[27]。

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