关节灌注液对关节软骨的影响

沈鹏　李小溪　皇甫小桥　赵金忠



关节灌注液对关节软骨的影响

沈鹏李小溪皇甫小桥赵金忠

关节镜手术时需常规使用关节灌注液充盈扩张关节腔，此时正常关节滑液被灌注液替代，因此关节灌注液需具有无抗原性、无毒性、无溶血性、透明等特性，且应符合生理要求，以尽可能减少对全身及关节内结构如关节软骨、滑膜等造成不良影响。目前常用的关节灌注液均对关节软骨有不同程度的影响，包括造成软骨基质蛋白聚糖流失、抑制软骨细胞蛋白聚糖合成、引起软骨结构软化和抗负荷性能下降及损伤软骨细胞等。该文就关节灌注液对关节软骨的影响作一综述。

关节镜；灌注液；关节软骨

关节软骨再生修复能力差[1-2]，其损伤时关节镜手术主要目的之一是恢复关节稳定性，尽可能保留并修复关节软骨结构和功能，避免软骨过早磨损，从而延缓远期骨关节炎发生[3]。生理状态下关节软骨被关节滑液包围，无血管直接供给营养, 因此软骨营养的主要来源是关节滑液[4-5]。而关节镜手术中需使用关节灌注液适当充盈扩张关节腔、冷却和润滑动力器械及冲洗清理关节内组织碎屑[6]，这导致正常滑液被灌注液替代，关节腔内环境改变，软骨失去正常营养供应。理想的关节灌注液应具有无抗原性、无毒性、无溶血性、透明等特征，且需符合生理要求，对全身及关节内结构如关节软骨、滑膜等无不良影响[7]。然而，目前对于理想的关节灌注液尚无统一观点，临床常用的灌注液对关节软骨均有不同程度的影响。

1　关节灌注液种类

目前常用的关节灌注液分为离子型和非离子型两类，其中离子型灌注液生理盐水(含氯化钠9.0 g/L，pH值约为5.7，等渗)是国内最常用的关节灌注液。但研究[8-14]认为，生理盐水作为灌注液生理性较差。此外，常见离子型灌注液还有林格氏液(pH值为6.1，等渗，溶质成分为氯化钠8.6 g/L、氯化钾0.3 g/L、氯化钙0.33 g/L)和乳酸林格氏液(pH值为6.5，等渗，溶质成分为氯化钠6.0 g/L、氯化钾 0.4 g/L、氯化钙0.27 g/L、乳酸钠3.22 g/L)。离子型灌注液具有制备简便、费用较低的优点。而非离子型灌注液在国外较常使用，常见的有去离子水、有机溶液(1.5%甘氨酸、5%甘露醇、5%山梨醇、5%甘油、5%果糖、6%右旋糖苷)等。

2　关节灌注液对关节软骨的影响

2.1软骨基质蛋白聚糖流失

Johnson等[14]在兔膝关节内分别持续灌注生理盐水1、3、7、14 d，并在灌注后即刻及6个月时对关节软骨进行组织学和组化检测以观测其受生理盐水灌注的影响，结果发现灌注后3 d关节软骨基质染色开始变浅，灌注后7、14 d软骨基质褪色更为显著，但灌注后6个月软骨基质染色恢复正常；因此认为生理盐水对软骨基质蛋白聚糖成分有析出作用，但这种影响可能具有可逆性。Gradinger等[10]利用牛软骨切片及大鼠完整股骨头关节软骨进行不同时长(15、30、60、120、180、240 min)的体外灌注实验并观测灌注液对蛋白聚糖的析出效应及观察软骨电镜图像，发现灌注后1 h离子型灌注液(生理盐水和林格氏液)从软骨基质中析出的蛋白聚糖显著多于非离子型灌注液(蒸馏水、20%山梨醇、2%甘露醇、5%甘露醇、10%甘露醇等)；这一过程可能与溶液中氯离子浓度有关，0.1%氯化钠析出蛋白聚糖极少，仅在氯化钠浓度为0.9%时蛋白聚糖才有明显流失，因此可以推测达到一定浓度的氯离子才能将带负电荷的蛋白聚糖从胶原纤维网中置换出来；观察电镜图像发现，离子型灌注液可使软骨表面粗糙不平整，这种结构改变可能与软骨基质蛋白聚糖流失而导致胶原原纤维网架剥蚀有关。由此可见，非离子型灌注液对软骨基质中蛋白聚糖的析出作用较离子型灌注液小，由于基质成分如蛋白聚糖、Ⅱ型胶原是构成软骨结构的物质基础，因此使用对软骨基质蛋白聚糖析出作用小的灌注液有助于保护关节软骨。

2.2抑制软骨细胞蛋白聚糖合成

Arciero等[15]通过兔膝关节体内实验分别观测生理盐水、乳酸林格氏液及无菌水灌注后关节软骨对同位素试剂35SO4的吸收率来了解这3种灌注液对关节软骨蛋白聚糖合成的影响，发现三者之间并无差异。虽然生理盐水长期以来一直作为关节镜的液体介质，但它的安全性很早便受到质疑。Reagan等[13]通过体外实验测定不同灌注液下牛软骨对35SO4的吸收率，发现生理盐水可抑制软骨细胞蛋白聚糖合成，而乳酸林格氏液对软骨细胞蛋白聚糖合成的抑制作用显著小于生理盐水、磷酸盐缓冲液，并推荐乳酸林格氏液作为关节灌注液。而Bulstra等[11]通过体外实验测定不同灌注液下大鼠完整髌骨对35SO4的吸收率，发现林格氏液及5%葡萄糖林格氏液对软骨细胞蛋白聚糖合成的抑制作用显著小于生理盐水和乳酸林格氏液。Gulihar等[8]通过体外实验测定并比较林格氏液、生理盐水、1.5%甘氨酸及5%甘露醇对人体软骨细胞蛋白聚糖合成的影响，发现灌注1 h后林格氏液对软骨细胞蛋白聚糖合成的抑制作用最小。以上研究表明，林格氏液对软骨细胞蛋白聚糖合成的抑制作用小于生理盐水及非离子型灌注液。

2.3软骨结构软化和抗负荷性能下降

关节灌注液尤其是离子型灌注液对关节软骨基质中的蛋白聚糖具有显著的析出作用，导致软骨基质生化成分改变，从而引起软骨结构损伤如软化、纤维化，最终削弱其抗负荷等生物力学特性[16-17]。

Yang等[18]进行小鼠体内实验，观察经生理盐水、乳酸林格氏液、3%山梨醇及蒸馏水灌注1、2 h后完整髌骨关节软骨扫描电镜图像，未发现有显著性差异。但Bert等[12,19]观察1.5%甘氨酸、Synovisol液(3.35 mmol/L甘油)、生理盐水、乳酸林格氏液和蒸馏水灌注后30～45 min人体关节软骨超微结构变化，发现经1.5%甘氨酸浸泡的软骨表面最为光滑，经Synovisol液浸泡的软骨有轻微损伤，经生理盐水和乳酸林格氏液浸泡的软骨变化较为显著，而经蒸馏水浸泡的软骨超微结构破坏最严重，认为1.5%甘氨酸对滑膜和关节软骨组织学损坏最小。Jurvelin等[20]在体外条件下将牛膝关节软骨分别浸泡于6%右旋糖苷联合5%山梨醇、5%果糖、5%甘露醇、林格氏液2、4、20 h，随后采用压痕蠕变试验检测软骨生物力学性能，发现林格氏液造成软骨结构软化及抗负荷性能下降最早出现(2 h)且最为显著。这些研究提示，非离子型灌注液对软骨基质蛋白聚糖成分的析出作用及软骨结构损伤均较小，对维持软骨抗负荷性能更具优势，也间接证明关节软骨力学性能基于其结构基础，而基质成分含量变化将影响软骨结构及力学性能。

2.4损伤软骨细胞

Shinjo等[9]采用人体半月板原代培养软骨细胞进行体外实验，发现乳酸林格氏液较生理盐水能更好地保持软骨细胞完整性。软骨细胞对维持软骨基质含量稳定，从而保持软骨正常结构和力学性能具有重要作用，因此软骨细胞活性下降可能对软骨基质蛋白聚糖含量及软骨结构造成长期不良影响[21]。

3　影响因素

3.1化学成分

不同灌注液由不同化学成分组成，从而具有独特的pH值、渗透压、离子成分及电荷等理化特性。不同离子成分可对关节软骨细胞离子平衡及关节软骨基质分子电荷平衡等产生不同程度的影响。Gradinger 等[10]研究发现，以0.9%氯化钠为关节灌注液进行灌注时软骨基质蛋白聚糖含量显著下降，而以0.1%氯化钠为关节灌注液进行灌注时软骨基质蛋白聚糖则析出很少，且离子型灌注液普遍对软骨基质蛋白聚糖的析出作用较非离子型灌注液强。这些研究提示，关节灌注液对软骨基质蛋白聚糖的析出作用与其离子浓度有关，由于蛋白聚糖为带负电荷的分子基团，离子型灌注液中的阴离子可影响蛋白聚糖与胶原原纤维之间的连接，使得蛋白聚糖从其结合位点处释放[10,20]。而关节灌注液含有高浓度氯离子时硫酸软骨素或透明质酸大分子扩散系数接近于一些低分子电解质，因此一旦蛋白聚糖被溶液中的离子从结合位点释放便会迅速扩散至灌注液中，从而导致软骨基质蛋白聚糖流失[22]。

3.2pH值

虽然无菌水的pH值与正常滑液最为接近，但偏酸性的林格氏液、乳酸林格氏液等对软骨基质蛋白聚糖的析出作用更小[8,11,13]。而Karpie等[23]研究表明，pH值分别为 5.0、7.0或 7.4 的磷酸盐缓冲液对软骨细胞活力的影响并无显著性差异。除去离子水外，目前常用的关节灌注液pH值均较正常滑液偏酸性，因此可以认为在一定范围内的pH值波动对关节软骨的影响十分有限。

3.3渗透压

关节灌注液渗透压对关节软骨有直接影响，渗透压过低的灌注液如去离子水会导致关节软骨水肿，稀释关节软骨内蛋白聚糖成分，进而引起关节软骨肿胀及结构软化[10]，严重时还可通过滑膜进入周围组织引起周围组织水肿，进入体循环引起低渗性水中毒等水电解质平衡紊乱，从而造成全身损害[24]。因此，采用等渗甚至高渗灌注液进行术中灌注可能有助于保护关节软骨及减少全身并发症[22,25]。

4　 结语

研究[8,11,13]表明，林格氏液抑制软骨细胞蛋白聚糖合成作用小于5%葡萄糖林格氏液、乳酸林格氏液、生理盐水、1.5%甘氨酸及5%甘露醇等。而非离子型灌注液如甘氨酸、山梨醇、甘露醇、甘油等对软骨基质蛋白聚糖析出、软骨结构软化及软骨细胞损伤等作用小于离子型灌注液如生理盐水、林格氏液等。无论是关节软骨细胞蛋白聚糖合成受抑制，还是软骨基质蛋白聚糖析出，均可导致软骨基质中蛋白聚糖含量下降，引起软骨表面胶原原纤维网架结构损伤，从而导致软骨抗负荷性能下降，具体表现为电镜图像中超微结构不平整、沟壑加深，压痕蠕变试验显示软骨抗压性能损害发生较早且较为严重。研究[12,19-20]表明，非离子型灌注液对软骨结构和生物力学性能的影响较离子型灌注液小。因此，软骨基质蛋白聚糖析出对软骨结构及力学性能影响较大，而软骨细胞蛋白聚糖合成受抑制的短期效应似乎并不明显。从对关节软骨保护的角度，临床上应选择对软骨基质成分、软骨结构及力学性能影响最小的非离子型灌注液如1.5%甘氨酸、5%甘露醇等，而目前国内使用最为普遍的生理盐水对关节软骨的影响较非离子型灌注液大，并非最佳选择。

然而，以往的研究仍存在许多局限性。首先，研究模型多为动物关节软骨，少数研究使用人类关节软骨，而动物模型难以代表真实人体；其次，使用人类关节软骨的体内实验研究极少，而人类关节软骨的体外实验难以模拟体内软骨的真实环境及状况，因为在真实体内条件下，关节镜手术及灌注液灌注可引起滑膜炎症反应，软骨受到的影响较体外条件下可能更大[26]；最后，研究所使用的检测方法较为单一，说服力不够强，缺少探索关节灌注液对软骨影响深层次机制的基础研究，且既往研究大多报道的是关节灌注液短期效应，而关节灌注液对关节软骨的长期效应仍不甚明确。

目前尚未找到对关节软骨正常生理功能和组织结构完全无损害的关节灌注液。虽然有研究表明，碳水化合物类非离子型灌注液虽然对软骨基质蛋白聚糖析出效应及软骨结构损伤作用较轻微，但对软骨细胞蛋白聚糖合成抑制作用却强于林格氏液，且存在费用较高等缺点。考虑以往研究的局限性及临床上保护关节软骨、提高手术疗效的需要，未来需进行更具说服力的人体体内研究，从多角度探索以明确关节灌注液对人类关节软骨短期和长期影响及其相关机制，从而找到最为符合生理的关节灌注液。

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(收稿：2015-12-18; 修回：2016-03-10)

(本文编辑：卢千语)

200233，上海交通大学附属第六人民医院运动医学科

赵金忠E-mail: zhaojinzhongdoctor@163.com

10.3969/j.issn.1673-7083.2016.03.011