膝关节软骨损伤的手术治疗进展*

陈兴真 综述 段国庆 审校

(济宁医学院临床医学院,济宁 272013;济宁医学院附属医院,济宁 272029)

关节软骨满足了人们行走、跑跳等运动需求。关节软骨一旦受损，难以修复，随着病情进展发展为骨关节炎，最终致使膝关节置换。临床上常采用一些非手术方法控制病情进展，比如口服非甾体抗炎药；关节内注射玻璃酸钠、富血小板血浆；关节镜下冲洗清理术。尽管临床结果显示非手术治疗在早期止痛、营养软骨均有一定效果，但软骨的先天特点限制了保守治疗的效果。目前恢复受损的软骨及延缓关节软骨损伤进展仍是临床面临的挑战。为了方便临床医师根据患者的实际情况，选择最优的手术方案，以便患者达到最好的预后，现就目前软骨损伤主要使用几种手术治疗方法进展做一综述。

1 微骨折术

微骨折术是用于治疗膝关节软骨缺损的最常用技术，它利用骨髓刺激产生纤维软骨修复[1]。根据损伤位置，微骨折术选取不同的关节镜入口，应用刮除器或环刮器将病变周围不稳定的软骨切除直到获得稳定的软骨边缘。然后切除钙化层并暴露软骨下骨，以确保显露修复区域[2]。在这一步骤中，必须注意不要过度切除破坏软骨，否则会导致骨的过度生长[3]。最后使用窄钻进行钻孔，形成直径为1～2mm、2～4mm深和3～4mm间隔的孔，使骨髓元素迁移到病变表面[2]。微骨折术的一般适应症包括有症状的不稳定或全层软骨缺损，这些缺损完全包含在健康软骨的边缘，患者须遵守术后康复限制：非手术肢体负重，手术肢体负重受限[1]。与微骨折术相关的禁忌症包括非局限的病灶，炎症性关节炎， 弥漫性关节退行性变、感染、肿瘤和骨性坏死[4]。目前研究显示微骨折术具有良好的短期术后效果，但是由于纤维修复组织的机械质量差，不能恢复正常的透明软骨，微骨折术后的长期结果是可变的[1]。较大的病变(>4cm2)在微骨折手术后的改善已报道，然而，这种改善并不像在较小的病变(<4cm2)中所看到的那样得到维持[4]。研究发现微骨折术是治疗运动相关膝关节软骨缺损的有效方法，且年龄越小，病变越小，关节活动度、症状改善程度越好[5]，在运动员中，损伤越小(<2cm2)预测重返赛场的概率越大[6]。

2 自体软骨细胞移植术(ACI)

ACI是一种组织再生技术，一般的ACI程序包括患者自身的软骨细胞体外分离培养，并将其重新植入软骨缺损[7]。ACI技术包括骨膜覆盖ACI(PACI)、胶原覆盖ACI(CACI)和基质诱导ACI(MACI)[7]。第三代MACI与前两代ACI技术不同，它不使用膜来容纳植入的细胞，而是将培养的细胞直接植入可生物降解的三维支架上，并植入到缺损中[7],而且MACI暴露缺损的切口较小，在技术上比PACI和CACI简单，手术时间较短，这也就减少了相关的麻醉和止血时间[8]。近年来ACI已成为大面积软骨缺损(>2.5cm2)、全层软骨缺损的标准治疗方法[9]。研究表明ACI具有产生透明质酸的潜力[10]。一项以中国人群为研究对象的研究结果显示ACI术后24个月大量的透明样组织完全填充缺损，与邻近软骨几乎完全整合[11]。一项回顾结果显示82%的患者在平均11.4年的随访中获得了良好的结局[12]。另一项20年的随访更是提供了令人满意的软骨细胞存活率和显著的临床症状改善[13]。还有结果显示20年后的最佳生存率(100%)为缺陷面积<4.5cm2的患者，而最差的生存率(25%)出现在有骨髓刺激术病史的患者中[13]，这一观察结果与之前的研究较为一致：病变>4.5cm2及骨髓刺激术后ACI的失败率增加[14]，而且ACI疗效也受周围移植物肥大、钙化以及缝合软骨的退变影响[15]。这种侵入性手术的恢复期长，需要多次手术，获得的软骨细胞数量有限，组织来源少。对于软骨最大损伤为国际软骨修复评分(ICRS)Ⅱ-Ⅲ级，软骨修复评估(CRA)Ⅲ-Ⅳ级，膝关节不稳定,半月板次全损伤或排列不良不建议用此种方法[16]。

3 骨软骨自体移植术(OAT)

OAT是一种治疗膝关节Ⅲ、Ⅳ度关节软骨损伤的手术方法，同时也可作为微骨折术失败的挽救治疗[17]。OAT供体通常来自同侧关节内的最小承重区，并移植到软骨损伤区。这种单阶段手术主要优点是快速的骨到软骨下骨移植修复，实现天然的Ⅱ型透明软骨组织修复[18]。该手术采用多个自体骨软骨移植块，将真正的透明关节软骨移植到缺损处，为关节表面的即刻修复提供了机会。Krych等[18]在2至10年的随访研究中发现与微骨折术相比，OAT患者的活动水平可恢复到更高的水平(总体成功率为70%至90%)。这与Sherman等[17]在中长期随访中发现较为一致：OAT的疗效优于微骨折术。该术式具有一次手术完成移植活的透明样组织基质和软骨下骨的优点。与微骨折术以Ⅰ型胶原结构为主的纤维软骨修复不同，OAT通过Ⅱ型胶原的透明软骨，使软骨下骨达到自然骨愈合[17]。在大型缺损不可能进行微骨折术软骨修复的情况下，OAT可能适用于填充深度>8～10mm或大型骨软骨缺损。但是该术式要求软骨缺损直径为1～2cm，面积<4cm2[17],由于直径<1cm的缺损进展或症状很小，所以治疗是有争议的。对于直径>2cm面积>4cm2的缺损由于需要多个移植物，该技术会受供体及技术限制。

4 骨软骨同种异体移植术(OCA)

OCA是将异体活软骨与支撑的软骨下骨一起移植到不完整的透明软骨基质中[19]，以适当的方式在生物学、结构和功能上修复大关节软骨缺损，这种新鲜的同种异体移植物通常要求在供体死亡后7d内植入受体，用于治疗广泛的病理关节。同种异体移植的临床应用是由Lexer于1908年首次提出来的，主要适用于巨大的(>2.5cm2)、症状性的、全层的软骨缺损[20]。存活的软骨细胞在保存和移植的同时能保持其代谢活性，并维持其周围的基质，从而提供完整的结构和功能单元来替代病变[19]，使移植物具有“正常”关节软骨的功能。OCA具有很多优点，包括治疗的缺损面积更大，供体部位的发病率更低和手术时间更短[21]，而且可以一次手术修复软骨缺损以及相关的骨缺失。在缺损较大和涉及软骨下骨的病变中，OCA已被证明能长期保证骨软骨结构完整性，适当恢复关节面，并产生优良的功能输出。由于新鲜骨移植物只能从器官供体和尸体供体获得，所以OCA也存在一些缺点，比如活体股骨头供体面积在某些情况下不足以满足损伤的需求，此外，供体移植物保存时间是有限的，因此移植物应在移植后14～28d内移植，以获得最大的软骨细胞活力[22]。 OCA移植术是治疗软骨损伤的一种持久的方法，对于大多数接受治疗的患者，他们可以恢复高度活跃的生活方式[23]。在最近的一次系统评估中，软骨修复后患者恢复运动的比率最高(89%)，其次是OCA、ACI和微骨折术(分别为88%、84%和75%)[24]。 Jamal等[25]曾报道过一例，患者经新鲜骨同种异体骨软骨移植术后29年，体内移植的软骨细胞依旧存活。Levy等[26]报道，移植物存活率高达82%，同样对移植的同种异体软骨的长期存活研究表明，在骨移植不稳定的情况下，移植骨的透明软骨依然可以存活25年以上[27]。虽然如此，但OCA的现实问题仍然存在，包括成本问题、异体移植组织的不易获得性以及疾病的传播，此外还有康复期极长(可长达1年)，以及该技术需要外科医生存在大量经验[35]。另外社会因素也可能成为阻止患者恢复运动的因素[20]。所以新鲜骨软骨同种异体移植术通常是建议在严重的、大面积骨缺损的情况下，作为唯一的手术选择，以避免或推迟全关节置换术。

5 组织工程

软骨组织工程试图通过将相关细胞、三维支架和外来信号以和谐的方式结合在一起，来重建受损的关节软骨[28]。该领域目的是结合细胞、生物材料支架和生物活性因子来培养具有不同疗效的软骨组织的生物替代品，达到缓解患者疼痛、避免软骨损伤进展以及长期恢复和维持关节功能的目的。然而，由于关节软骨和软骨下骨的不同愈合能力和形态，以及软骨细胞的低增殖和迁移能力，对治疗软骨缺陷仍然是一个挑战。关节软骨组织工程的成功主要依赖于种子细胞、三维支架基质、生物活性因子、合适的物理刺激以及基因传递等几个基本组成部分。其主要策略包括体外细胞扩增、细胞植入支架和诱导软骨形成，从而可靠地产生功能软骨进行关节软骨修复[29]。就软骨组织工程而言，找到最佳细胞来源是组织工程成功的绝对条件。目前有两种相关的细胞：关节软骨细胞(AC)和间充质干细胞(MSCs)，这两种细胞都有一定的效力[30]。近年来，多功能MSCs作为一种可代替的自体软骨细胞在软骨组织工程中引起了广泛的兴趣。MSCs具有很高的增殖能力，可从骨髓、脂肪组织、滑膜、周围组织、脐带静脉或胎盘等多种组织中分离出来[30]，被诱导分化为产生基质的软骨细胞，最终形成透明关节软骨。生物材料支架是由天然的或合成的生物材料制成的具有三维生物相容性和生物可降解的临时结构，从而为细胞提供结构支持，这些生物材料，可分为复合生物材料、蛋白质基生物材料和多糖基生物材料。另外生物支架中需要一种人工基质，它能使细胞在随后的新组织生成过程中增殖和分化， 此外，基质还应该可促进细胞的黏附、均匀分布并与周围原生软骨完美融合。最后，生物支架还应具有有效的力学性能，以承受机械应力。理想的生物活性因子应促进细胞成分的增殖、分化和成熟，此外，它们还应具有趋化活性，并应保持细胞产生足够的细胞外基质。它包括生长因子、细胞因子、分化因子和其他调节软骨形成的调节分子[39]。通过这些生物活性因子的调节达到诱导、加速和促进软骨组织的形成。除了这些因素外，因为软骨细胞不断受到生长和动态平衡的物理力量的影响，所以机械刺激也是软骨形成的另一个重要的信号因子。在软骨的正常发育和内平衡过程中，适当的机械环境起着重要的作用，而过多的负重则会导致软骨损伤。 虽然在这一领域已经取得了很大的进展，但仍然存在一些需要解决的问题[29]。其中，确定合适的细胞来源是这一领域最大的挑战，而且组织工程产生的软骨尚未完全模仿天然关节软骨的结构、性质和功能。近年来，随着3D打印技术在骨科中的应用[31]，利用组织工程技术，将适当的种子细胞与合适的生物材料相结合，在信号因子的刺激下，有望实现软骨的一步原位修复，这种方法已经在多种动物实验中进行开展，也取得了令人欣喜的结果[32-34]。

6 展望

目前软骨损伤的治疗仍是国际难题，尽管各种手术和非手术都取得了一定的疗效，但是无论哪种方法都存在缺陷。而组织工程学运用虽然已经有很大的进步，但目前还停留在起始阶段，仍有许多难题亟待解决，如种子细胞的最佳来源、培养技术的改进以及各种新型支架材料的研制与开发。随着关节软骨损伤基因治疗的出现，给软骨治疗带来了新的发展方向，而且随着细胞学、材料学、基因工程的进步，多技术联合应用的外科修复技术，如机器人辅助3D打印技术结合组织工程，将从根本上促进软骨的再生与重建，成为未来的治疗软骨损伤的重要手段，但是目前研究纷杂，对于种子细胞、生物材料、生长刺激因子等的选用无统一观点，仍需科研人员不懈奋斗。我们坚信在不久的将来，关节软骨损伤能得到更有效的治疗。