盘状半月板微观结构研究现状和进展

张键，林坚平，周钢，王本超，吴永昌

(海南医学院附属海南医院，海南省人民医院关节外科，海南 海口 570311)

盘状半月板又称盘状软骨，肉眼观呈圆盘状，较正常半月板厚且宽，活动性较正常半月板高，因此在膝关节活动中易于损伤。1889年Young首次对盘状半月板进行报道，随后有许多学者对本病进行了相关报道。盘状半月板发病率不同(0.4%～20.0%)，分布具有显著的地区差异性，中国为13.0%，韩国为10.9%，日本为16.6%[2]。Grimm等[3]的流行病学调查显示，盘状半月板在西班牙裔和亚裔人群中具有极高的发病率，说明本病发病具有种族差异性。Atik等[4]研究发现，盘状半月板自噬和细胞凋亡基因表达均高于正常半月板。Hoernschemeyer等[5]报道1例由FGFR3基因突变所致软骨发育不全患者合并盘状半月板病例，因此目前更倾向于认为该病为先天性畸形。绝大多数患者为外侧盘状半月板，内侧盘状半月板少见，少数患者具有同侧膝关节双侧盘状半月板[6]。尽管本病发现距今已有一百余年，但对盘状半月板的微观组织学结构与发病机制仍不明确，伴随显微成像技术的提高与组织学研究的深入，学者对此种类型半月板具有更深层次认识，本文将对新发现进行总结和阐释。

1 盘状半月板的大体解剖结构与概述

半月板是存在于人体膝关节中的纤维软骨盘，其中内侧半月板形状似“C”型，覆盖内侧胫骨平台的51%～74%，而外侧半月板形似”O”型约覆盖外侧胫骨平台的75%～93%，二者均通过致密的纤维结构与膝关节的骨性结构和周围软组织相连接维持膝关节正常活动。然而，盘状半月板与膝关节骨结构和软组织的结合松弛且易于发生膝关节结构异常改变，如盘状半月板与前交叉韧带融合病例[7]，合并腓骨头高位、腓骨肌腱滑脱、腓侧肌肉缺损等病例[7-8]。目前最广泛应用的盘状半月板分型是Watanabe分型：(1)完全型，半月板异常增厚，胫骨平台被半月板完全覆盖，半月板附件正常；(2)不完全型，增厚的半月板不完全覆盖胫骨平台；(3)Wrisberg韧带型(见图1)。随着MRI技术和关节镜技术的发展与普及，学者对盘状半月板的结构认识加深，后续又增加了两个分型：环形盘状半月板，双层盘状半月板[9](见图2)。半月板主要血液供应来自于膝上、下外侧动脉和内侧动脉，其分支形成树枝状周围血管丛，呈环形排列于半月板的外周，并且发出放射状分支来维持大部分半月板的营养。然而，成年人的半月板血供相当于一个无血管组织，仅10%～30%的内侧半月板和10%～25%的外侧半月板直接由毛细血管网的血液供应。因此，有学者根据半月板的血液供应将半月板组织分为3区：由血管直接提供营养的区域为红-红区、由部分血管供应营养的区域为红-白区以及无血管供应的区域为白-白区。半月板神经分布基本与血管分布一致，分布于半月板的神经主要为胫后神经、闭孔神经、股神经和腓总神经。Inoue等[10]研究显示，不完全型盘状半月板内部区域的血供较少，与正常半月板相似，而完全型盘状半月板的髁间区域血管较不完全型盘状半月板多，提示不同类型的盘状半月板的血管分布有差异性，这或许可以作为不同类型盘状半月板的手术方式提供选择。盘状半月板主要依据其解剖特点进行分型，发病机制至今未明，目前关于病因的观点主要有先天发育停滞学说、后天获得假说、胫骨外髁形态决定论假说、遗传学假说，均缺乏可靠的证据支持[11]。

图1 Watanabe分型 图2 新增类型半月板

2 盘状半月板组织学成分与结构

半月板属于纤维软骨组织，主要由胶原纤维相互交联并按照一定的空间排列所构成的支架结构和软骨细胞、成纤维细胞构成[12]。此外，还有以特殊比例存在的生物化学成分，如水分、蛋白多糖以及蛋白聚糖等。上述成分中除了细胞以外的成分构成细胞外基质。TasujⅡ等[13]对于半月板组织学的研究中发现，半月板组织中水分含量最高(65%～70%)，其次为胶原纤维，占半月板组织的20%～25%，蛋白聚糖占比约1%。半月板不同区域的细胞含量差异会使细胞外基质组分产生差异。半月板所含胶原纤维主要为Ⅰ型胶原纤维和Ⅱ型胶原纤维，而Ⅲ型、Ⅳ型胶原蛋白含量较少，Ⅰ型胶原纤维主要分布于成纤维细胞含量较多的红-红区，Ⅱ型胶原纤维分布于纤维软骨细胞含量较多的白-白区[14]。半月板不同区域各类胶原纤维含量也各不相同，Ⅰ型胶原纤维在半月板的内侧末端的含量较少，而Ⅱ型胶原纤维在半月板的外侧部分的含量较少，Ⅳ型胶原纤维主要存在半月板、周围的脂肪组织以及半月板的血管平滑肌。而Ⅲ型胶原纤维在维持细胞外基质的微观结构力学方面具有特殊作用。Wang等[15]的研究证实，Ⅲ型胶原纤维可以维持半月板内胶原纤维的均质性，从而影响半月板在分散传导压力方面的作用。除此之外，胶原纤维的排列方式也是影响半月板对膝关节压力负荷的缓冲、传导和分散作用的关键因素。半月板的胶原纤维排列方式为环状排列和放射状排列，呈环向排列的胶原纤维主要与对抗外界负荷所带来的张力有关，而呈放射状排列的胶原纤维主要为半月板组织提供纵向强度，避免半月板组织发生纵行撕裂[12]。在半月板组织中，环形胶原纤维数量较多，主要位于半月板的边缘。Rattner等[16]采用电镜对半月板进行观察发现，放射状排列的胶原纤维相互交织形成直径约10 μm的胶原纤维束，纤维束之间交联形成类似蜂窝状的框架结构，框架内容纳环向排列的胶原纤维(见图3)。一些放射状排列的纤维和环状排列的纤维融合成片状的纤维组织。在电子显微镜扫描下，这些片状结构实际上是纤维束波浪样平行排列而成。Kambic等[17]认为这些纤维主要是由Ⅰ型和Ⅱ型胶原纤维构成，而且这种径向排列的纤维结构可以抵抗纵向的拉力。Atay等[18]通过透射电子显微镜对12例盘状半月板和6例正常半月板进行观察和比较发现，盘状半月板的胶原纤维密度和胶原纤维的分布方式具有明显差异性，主要表现为胶原纤维密度减少，甚至在某些区域出现胶原纤维完全缺失以及胶原纤维的分布不均匀。Cui等[19]对10例盘状半月板进行电子显微镜扫描得出相似结论，该研究的病例主要来源于膝关节置换手术中剥离的完整盘状半月板组织，以及关节镜下盘状半月板部分切除术中获取的半月板组织，但并未具体描述盘状半月板的分型。Papadopoulos等[20]采用偏光显微系统观察发现胶原纤维在盘状半月板标本的后1/3部分显著减少，这一区域的半月板组织还发生了黏液样变性和化生，该研究基本包括完全型、不完全型、Wrisberg韧带型在内的盘状半月板，结论较为全面。然而，Choi等[21]采用透射电子显微镜观察研究指出，与正常的半月板组织相比，这些标本中的胶原纤维的密度并未出现明显减少，同时不存在前人所报道的胶原纤维分布不均匀现象。

注：1-盘状半月板纵行截面，径向排列的胶原纤维形成蜂窝状网格，包绕环形排列的胶原纤维；2-径向排列胶原纤维；3-环状排列胶原纤维

以往观点认为半月板纤维结构分为5层：股骨、胫骨表层，股骨、胫骨板层以中央层。半月板的表面覆盖直径约3 nm的胶原纤维所构成的10 μm宽的纤维网络，这些纤维并无特定走向。在表面之下，有直径20～50 μm胶原纤维组成的层样纤维束，该层厚度为150～200 μm，在半月板内周该层厚度仅为20～30 μm[22]。在半月板胫骨表层的中外1/3部，胶原纤维以放射状展开，各纤维方向平行，交汇成层样纤维后插入半月板内周部。股骨表层的前后部及外部的胶原纤维也呈放射状展开，最后以层状纤维插入内周部，形成菱状纤维网络。层状纤维集中的交汇形成板样纤维，最终板样纤维相互包绕构成中央层。半月板的胶原纤维大体呈环向排布的，环向纤维与径向排布的胶原纤维和垂直排布的胶原纤维相互交织形成致密结构。Cui等[19]采用相似方法对盘状半月板进行观察后提出将盘状半月板在横断面上分为7层，以中央层中心，表层、外层、内层在两侧对称分布(见图4)。股骨面的表层为致密的胶原纤维组成，胶原纤维分布均匀；胫骨面表层的胶原纤维分布杂乱而不均匀；外层为无特定走向的胶原纤维网络；内层则是胶原纤维网络集结成束的过渡层，其胶原纤维由半月板的外侧朝向内侧呈径向走行；中心层为成束的胶原纤维组成。中心层可根据纤维走行方向分为前区、后区、内侧区和外侧区，内侧区的胶原纤维无特定走向，前区和后区的纤维沿径向走行起固定半月板作用，外侧区与关节囊紧密锚定，因此Cui等[19]建议手术治疗盘状半月板时应当尽可能保存外周部分。Atay等[18]认为盘状半月板的胶原纤维似退化样散乱分布是导致其易于发生撕裂的主要原因。Papadopoulos等[20]发现环向胶原纤维不均匀，部分环状排列胶原纤维发生退化。Choi等[21]研究同样发现胶原纤维排列结构紊乱，但都属于轻度紊乱，不具备明显特异性。他认为即使在正常的半月板退化过程中也会出现这种紊乱的结构，无撕裂损伤的盘状半月板的纤维结构与正常半月板无明显差异，在半月板发生撕裂后细胞外基质会发生不同程度的退化或破坏。Bisicchia等[23]对盘状半月板的电镜观察发现，胶原纤维的走行方向各异，在靠近组织的表面部分纤维的走向大致与表面平行，而在组织内部胶原纤维走向混乱并且交织成网，但是与Cui等[19]的结论不一致的是半月板胫骨表面的胶原纤维分布均匀，排列有序。关于盘状半月板微观结构的研究目前说法不一，大多数学者认为盘状半月板微观结构的变异主要是胶原纤维的数量减少和结构异常，由于取材受限目前对盘状半月板结构尚无同一结论。

注：1-股骨侧表层；2-股骨外层；3-股骨内层；4-中央层；5-胫骨内层；6-胫骨外层；7-胫骨侧表层

3 盘状半月板组织学与生物力学特性

半月板的组织学成分、结构与生物力学特性息息相关，半月板的生物力学特性主要与细胞外基质以及其微观结构相关。如前所述，大多数研究均指出胶原纤维会直接影响半月板的生物力学特性，胶原纤维的含量和密度在一定程度上与半月板的抗拉力特性呈正相关。细胞外基质的其他成分也会对半月板的生物力学特性有某种程度的影响，水分和蛋白多糖也是形成半月板缓冲作用的关键因素，水分渗透性会在半月板负荷时产生阻力，有助于减缓压缩形变，降低半月板受伤的风险[24]。蛋白多糖分散于胶原纤维之间，是以一个核心蛋白和数个糖胺聚糖相连构成。蛋白聚糖上的负电荷会将水分子吸纳入半月板组织中，有利于半月板内的液体传输[25]。Bansal等[26]的研究指出在生长发育过程中，除了半月板的胶原纤维含量增加以外，蛋白多糖含量也会同步增加，生物力学测试则证明半月板的弹性程度与半月板的发育程度呈正相关，说明蛋白多糖与半月板的生物力学具有相关性。除此之外，这项研究通过二次谐波显微镜发现了半月板的胶原纤维在半月板生长发育中的演变，成年人半月板中的胶原纤维与胎儿半月板相比，胶原纤维排列更加规则、结合更为紧密。在力学测试中发现成熟半月板组织一旦发生缺损，对外力的负载能力会大幅下降，相反胎儿半月板却不会发生明显的载荷改变。出现这一现象的原因可能是胎儿半月板组织的胶原纤维更加具有可塑性，发生缺损时断裂的胶原仍能接合来保持其负载能力。

细胞周基质是软骨细胞周围呈环形排列的基质条带，与软骨细胞共同构成软骨细胞单位，主要作用为传导生物力学和物理化学信号，细胞周基质的胶原纤维、基底膜聚糖等成分在一定程度也会影响半月板的生物力学特性[27]。细胞周基质中的胶原纤维主要以Ⅵ型胶原纤维为主，而这种类型的胶原纤维对软骨细胞的增殖具有促进作用[28]，软骨细胞增殖能力下降意味着半月板组织退变，这将导致半月板的生物力学发生改变。Ⅵ型胶原纤维除软骨细胞促进作用以外，还有炎症保护作用，因此Ⅵ型胶原纤维在半月板中的分布和含量可以间接决定半月板组织的强度和刚度。Zelenski等[29]研究证实在敲除小鼠Ⅵ型胶原纤维的相关基因后，骨关节炎发生的进程会加速。基底膜蛋白多糖(Perlecan)是一种硫酸乙酰肝素蛋白多糖，它与Ⅵ型胶原纤维以特殊的空间结构紧密结合，在骨基质中具有识别传导力学信号作用。其信号传导主要是通过将机械信号转化为软骨细胞内反应来发挥作用的，在半月板发生变形时，软骨细胞会产生应力、静水压力、间质流体浮动、离子交换等改变，这些变化则通过软骨细胞膜上的Na+/K+、Ca+等离子通道来传递[30]。而调控这些通道的关键结构为细胞周基质，基地膜蛋白多糖则可以帮助维持细胞周基质和软骨细胞间的离子梯度[29]。

有学者认为半月板的生物力学特性会随年龄的变化而变化，但是半月板生物力学与年龄相关性较低。Ferroni等[31]采用离体猪半月板进行生物力学与年龄相关性研究，在生物力学测试方面，对所有标本进行了径向和周向的拉力和压力测试，发现发育成熟的半月板不论在径向或者周向力学的测试中都具有更好的负载能力。这项研究对胶原纤维的分布也进行了免疫荧光实验，在发育尚未成熟的半月板组织内侧中部和外侧部均发现Ⅰ型胶原纤维和Ⅱ型胶原纤维的存在。然而，在半月板的内侧部Ⅱ型胶原纤维的免疫荧光反应更强，因此他认为随着半月板的不断发育，Ⅱ型胶原纤维数量会增加，进而引起半月板生物力学的改变。但是这项研究并没纳入退变的半月板组织，因此没有很好的概括出生物力学特性与半月板的关系。这项研究还指出半月板组织在成熟的过程中，蛋白多糖/脱氧核糖核酸与组织刚度呈正比，这一指标或许能作为评价半月板承受度和生物力学特性的指标。Nesbitt等[32]则首次对人半月板进行了生物力学与年龄相关研究，该研究将所获取的半月板样本以40岁为分组依据，对样本进行垂直于环向胶原纤维和平行于环向胶原纤维的拉力实验，最终发现在垂直于环向胶原纤维施加拉力，发生撕裂时年老组比年轻组的撕裂区域延展性降低了27%，发生撕裂区域可耐受的最大拉力降低了30%，总的来说，年老组较年轻组的半月板韧性降低了60%。相反在平行于环向胶原纤维施加拉力时，这些数据变化并不显著。因此，他们认为随着年龄的增长，首先影响半月板生物力学的因素为胶原纤维延展性的下降，而并非基质的改变。这些研究表明了半月板的生物力学特性在随着半月板的发育而增强，到了某一特定年龄节点后便逐渐下降，但是目前尚无任何相关研究指出确切的机理和衰退节点。

盘状半月板的胶原纤维较正常半月板存在密度和数量上的差异，这或许是导致盘状半月板患者容易出现撕裂、弹响等症状的原因，但是所有关于盘状关月板的推论仍没有确切的实验加以验证。盘状半月板生物力学特性与微观结构之间联系的探索会为盘状半月板的病因学和治疗研究提供线索。

4 盘状半月板影像学研究现状

随着影像学技术的更新迭代，影像学检查已经成为诊断盘状半月板极具价值的辅助检查手段。在诊断盘状半月板的各种检查中，关节镜检查虽然同时具有诊断作用和治疗作用，但是其为有创检查，并不适用于无症状盘状半月板患者。无创影像学检查中，最具有参考价值的是MRI检查，其可以显示半月板的形状和判断有无损伤，此外X线检查和超声也可辅助诊断盘状半月板。X线检查是骨科常用的影像学检查，在接诊怀疑盘状半月板的患者时，首先应进行X线检查，外侧完全型盘状半月板患者膝关节的非负重前后位X线片中，可以观察到外侧股骨髁与胫骨平台的间隙增宽，而对侧关节间隙正常或缩窄，这种特殊的征象又称为锁扣征或杯口征。Ha等[33]研究发现，10～16岁患病人群中有76.2%的患者具有上述影像学表现。Hino等[34]发现胫骨髁间隆起的宽度>13.9 mm和内侧坡度角>17.1°对完全型盘状半月板具有诊断价值。Milewski等[35]认为腓骨头高度和外侧膝关节间隙宽度值对诊断外侧盘状半月板具有参考意义。Lu等[36]认为外侧髁凸角增大有助于诊断外侧盘状半月板。以上几种方法的适用对象都局限在外侧完全型盘状半月板，实用性有待考究。超声检查与X线检查、MRI检查相比，具有简便性、经济性和无损伤性的优点，并且在大多数医疗机构中基本都配备了超声检查仪器，所以超声诊断盘状半月板具备良好的临床应用价值。Akatsu等[37]对134例膝关节样本采用高频超声进行检查，并将采用关节镜检查进行验证，发现高频超声诊断盘状半月板的敏感性为80%。Yang等[38]利用超声检查对盘状半月板的12个超声特征参数进行测量并与正常半月板特征参数对比，发现利用超声对半月板的前角、体部和后角进行测量可以诊断盘状半月板。虽然超声检查方便易得，但是它也存在缺点。超声的穿透性较X线和MRI差，脂肪和骨性结构对超声检查的干扰较大，最终可能导致检查不能正常进行或检查结果与实际情况存在较大差异。诊断盘状半月板最常用的影像学检查是MRI检查，MRI对脂肪、肌肉、韧带、肌腱以及软骨等组织的显像能力比超声和X线高，且MRI技术经过不断改进，对细微结构的显像能力也有了巨大的提升。广泛应用的盘状半月板MRI诊断标准为：(1)冠状位图像上由前向后连续3张图像上半月板体部厚度均>5 mm；(2)矢状位图像上半月板连续3张或以上图像出现领结征；(3)半月板前角和后角不对称；(4)冠状位图像上半月板完全覆盖胫骨可诊断完全型盘状半月板；(5)冠状位图像上半月板最大横径>15 mm。冠状位图像比矢状位图像更具诊断价值，冠状位上半月板的内侧游离缘贴近髁间隆起是重要的诊断依据。在盘状半月板不合并损伤时，半月板最小横径与胫骨平台最大横径比值达到20%即可诊断盘状半月板。在盘状半月板合并损伤时，矢状位图像上半月板前、后角最大横径之和与胫骨平台最大横径之比大于75%可协助诊断。盘状半月板患者往往会出现膝关节不稳定，Restrepo等[39]提出盘状半月板膝关节不稳定的三大MRI表现：假性桶柄撕裂、半月板卷曲征和半月板旁水肿都是半月板不稳定的重要影像征象。Li等[8]发现盘状半月板合并撕裂时会出现腘肌裂孔增大这一征象。虽然利用MRI技术诊断盘状半月板已经比较成熟，但是对于一些合并撕裂的盘状半月板的诊断仍存在困难。目前许多学者对特殊类型和合并撕裂的盘状半月板进行MRI研究，以期发现新的诊断征象，优化诊断标准。

5 盘状半月板治疗现状

盘状半月板的治疗方式多种多样，主要包括关节镜下半月板修复术、半月板次全切除术、半月板部分切除术和半月板全切除术。虽然半月板全切和次全切除术能够在短期内缓解患者的疼痛症状，但是同时去除了膝关节的缓冲装置，使关节软骨和软骨下骨发生退变，加速膝关节炎进展。生物力学研究发现，半月板可分散70%来自关节的压力，如果完全切除半月板，关节面的受力会比以往增加200%，所以保持半月板结构完整性对保证正常膝关节具有重要意义。儿童患者行半月板次全切除术后并发胫骨结节骨软骨炎的风险明显增高，小儿盘状半月板患者同样不适用该术式。目前盘状半月板的治疗方式主要是半月板部分切除术和修复术。手术的目的不仅仅是缓解膝关节的疼痛等症状，更重要的增加膝关节的稳定性。许多学者对行半月板部分切除术时，应保留多少半月板组织进行了研究，目前的主流观点是保留宽度为6～8 mm的半月板组织。保留一定宽度的半月板组织意义在于避免撞击和发生撕裂。Yamasaki等[40]发现当半月板存留组织宽度<5 mm时，会导致关节退行性改变。由于盘状半月板较正常半月板更加宽大，且就诊时多合并半月板撕裂，所以应当在恰当处理撕裂的基础上，保留不超过6～8 mm宽度的半月板组织。随着组织工程学技术的发展，有学者提出采用同种异体移植或人造半月板来替代异常的半月板，这种移植技术已经开始应用于临床治疗，虽然半月板移植技术可以很好解决不可修复性半月板缺损，但是该技术仍存在缺陷，且长期疗效尚不明确。

6 总结与展望

综上所述，目前对盘状半月板的微观结构仍没有一个确切的结论，这一领域研究较少的原因可能是因为盘状半月板的标本较少，而且标本的收集困难，其中一个原因是因为患者仅在出现半月板撕裂症状时才主动就诊，另一原因是很难收集到各分型的盘状半月板的完整半月板标本。本研究纳入国内外对盘状半月板组织学研究的最新成果，首次对盘状半月板的组织学和超微结构特征进行总结阐述。组织学与微观结构的深入研究对盘状半月板病因学、病例分型、力学特性、影像学、手术方式的选择与改进带来一定程度上的启发和帮助。