膝关节骨性关节炎软骨退变与软骨下骨形态学改变的相关性研究

马海涛 王维山 董金波 史晨辉

膝关节骨性关节炎( osteoarthritis，OA) 是最常见的一种关节疾病，也是导致老年人关节功能障碍最主要的原因［1］。OA 不仅仅是关节软骨的病变，常常累及关节的所有组织，如软骨下骨、周围软组织的肌肉和韧带等［2］。目前没有有效的治疗及药物可延缓OA 的病程，在晚期只能采取全膝关节置换术( total knee arthroplast，TKA) ，给患者及其家庭带来沉重的经济负担［3］。

过去认为关节软骨的改变是骨性关节炎主要的病变，但随着对骨软骨结构和功能的深入研究，所有关节结构包括软骨下骨、骨小梁、关节囊等都会受到影响。自1986 年Radin 等［4］首次提出软骨下骨可能在软骨退变的开始及进展中起作用后，目前对软骨下骨的研究已成为焦点之一。因此，研究骨性关节炎病程中软骨下骨的结构特点，有助于进一步了解骨性关节炎的发病机制，从而为骨性关节炎的预防和治疗提供新的思路。

材料与方法

1.样本的获取：筛选石河子大学第一附属医院2012 年11月～2013 年11 月期间行TKA 治疗的30 例膝关节OA 患者，术前排除创伤致残、肿瘤致残、类风湿关节炎致残等其他膝关节疾病。标本均为手术过程中获取，其中，男性12 例12 膝，女性18 例18 膝，患者年龄50 ～75 岁，病程10 年以上。将样本编号，-20℃冰箱保存以备扫描。

2.主要仪器和设备Micro -CT 系统： 仪器为Bruker 公司的Skyscan1176 小动物活体成像系统，分辨率模式为9、18、35μm，图像处理软件为系统配置的CT - analyzer、CTvol 和CTvox。

3.大体观察：收集膝关节置换术后胫骨平台新鲜标本30个，分别观察内外侧平台的软骨颜色、光泽度和形态，样本表面有无云翳样结构、破溃，有无软骨下骨暴露、象牙化结果和骨赘生物形成等。

4.Micro-CT 扫描：将切取外侧和内侧共计60 个组织块平置于Micro -CT 系统( Skyscan1176，Bruker 公司) 的扫描床内，胶带固定以防止标本移动。沿标本的长轴方向扫描，获取连续的Micro - CT 图像。扫描参数设置为： 扫描分辨率18μm，旋转角度360°，旋转角增量0.7°，管电压65 kV，管电流379μA，扫描时间18min，对同一样品获得500 张不同截面1024×1024 像素图片。手动方式将胫骨平台外侧和内侧骨组织作为兴趣区域( region of interest，ROI) 进行三维重建，重建灰度值为0 ～0.05。利用软件CTdataviewer 和CTan、CTvol 进行定量分析以及三维重建处理( 图2) 。

5.参数测量：用Micro-CT 系统自带的CTan 软件包进行三维空间参数分析，所检验的参数包括骨小梁体积分数( bone volume fraction BVF) ，即骨小梁的体积( bone volume BV) 除以样本的体积( total volume TV) ，以百分数( %) 表示； 骨小梁厚度Tb.Th) ，即以距离转换方式将填充骨小梁结构的最大球体直径的平均值，以微米( μm) 表示； 骨小梁数量( trabecular number Tb.N) 为所观察结构中轴的平均距离的反函数，即填充骨性结构的平均球体直径的倒数，以毫米-1( mm-1) 表示；比较外侧和内侧区域骨小梁的结构参数。

结 果

1.肉眼观察大体形态图：内侧平台可见软骨表面溃疡，软骨部分缺失，软骨下骨暴露； 与内侧平台相比，外侧平台软骨表面相对完整，软骨表面无缺失，有少量浅表溃疡，软骨下骨无暴露。胫骨平台内侧软骨退变较外侧平台明显，详见图1。

2.样本的Micro -CT 图像特征： 采用Micro -CT系统CTan 软件对选定区域和层厚范围的骨小梁进行三维结构重建和三维参数分析。三维图形重建的结果显示内侧区的小梁结构散乱，骨小梁结构和连续性丧失。OA 样本的三维分析结果表明，与外侧区相比，内侧平台骨小梁体积分数( BV/TV) 、骨小梁厚度( Tb.Th) 、骨小梁数目( Tb. N) 均有明显的增加( P ＜0.05) ，而骨小梁间距( Tp.Sp) 是降低的( P ＜0.05，表1) 。

讨 论

膝关节骨性关节炎是一种慢性的关节疾病，其主要病理改变是关节软骨的退行性改变和骨质增生［5］。OA 的病程发展缓慢，诊断明确时都已到病程的晚期。OA 的病因是复杂的，受多种因素的影响，但是OA 最终都以关节软骨的退变为共同特征。然而，不论是在人类骨性关节炎还是动物的OA 模型中，OA 的发生率都与软骨下骨的重塑有关［6，7］。

图2 样本的Micro-CT 图像特征

表1 内外侧胫骨平台骨小梁结构参数比较

软骨下骨位于关节软骨下方，包括软骨下骨板和其下方的骨小梁。软骨下骨板构成关节软骨最深层的区域，包括钙化层，皮质终板。钙化层与透明软骨被潮线隔开。软骨下骨为其上覆盖的关节软骨提供机械支持和营养供应，软骨下骨和关节软骨作为一个功能单位共同维持着关节结构和功能的完整性［8，9］。软骨下骨没有一个明确的解剖界限，因此增加了软骨下骨性质研究的难度。Radin 等［4］1986 年提出软骨下骨硬化不仅仅是软骨退变后的继发性改变，他认为软骨下骨硬化改变了软骨下骨的机械力学性能，使软骨下骨吸收震荡、缓冲应力的能力减弱，导致其上方软骨承受异常增大的应力而容易发生退变［4］。在短尾猴的动物实验中，也发现内侧胫骨平台软骨下骨的硬化导致了其上关节软骨的破坏［10］。根据目前的研究，被破坏的关节软骨又会反过来影响其下软骨下骨的结构，从而形成了OA 关节结构破坏的恶性循环［11］。软骨下骨重塑在OA 的发展从早期的骨吸收增加，骨增生，最终导致软骨下骨硬化。在灵长类动物的OA 模型中，类骨质体积的增加远比软骨改变严重。虽然在OA 动物模型中，通过对疾病进展不同时期的观察，软骨下骨重塑可能发生在软骨退变之前，但对于人而言，还有待验证［12］。

在OA 病程中，软骨下骨的结构变化包括骨转换率增加，微骨折的出现，血管的再生以及后期软骨下骨的硬化。在组织病理学中，潮线复制，透明软骨变薄，新生血管从软骨下骨进入钙化层，最终导致软骨下骨厚度增加［13，14］。这些改变引起其上覆盖的关节软骨生物力学性质的变化［15］。此外，在OA 发展过程中，每个软骨下骨解剖区域都可能会发生不同的改变。因此，软骨下骨的变化在OA 病程中起着十分重要的作用。临床上选取的胫骨平台都是膝关节OA晚期行全膝关节置换术的患者，缺乏膝关节OA 早期患者的胫骨平台。但是，同一患者内外侧平台所处的OA 病程是不一致的，膝关节OA 并内翻畸形患者的外侧胫骨平台处于OA 病程的早期［15］。本实验所观察到的外侧胫骨平台标本软骨基本完整，而内侧平台软骨大面积缺失，软骨下骨暴露。使用Micro -CT 扫描分析胫骨平台内外侧平台，发现相较于外侧胫骨平台，内侧胫骨平台软骨下骨出现硬化，骨小梁体积分数，骨小梁厚度及骨小梁数目都是增多的，而骨小梁分离度是减小的。

软骨下骨在OA 发病过程中的先导作用尚未确定，但目前的研究都提示它可能加快了OA 进展过程，促进了软骨损伤、退变。因此，在OA 治疗时既应该针对关节软骨，同时也应关注软骨下骨病变。目前对OA 的治疗主要是减轻疼痛，改善关节功能，尽可能地延迟手术治疗。到目前为止，没有发现有效的药物可以明显地阻止OA 的进展。同其他风湿类的疾病一样，需要找到能可靠改变OA 病情的药物，以阻止关节软骨的破坏。现有的药物包括抗重新收药物，如雌激素、选择性雌激素受体调节剂、二磷酸盐等抗骨质疏松类的药物。总之，软骨下骨在骨性关节炎发病机制中的作用已经成为当前OA 研究领域的热点。恢复软骨下骨的动态平衡被认为是非常有前途的一项研究项目。

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