镁元素及镁材料在关节软骨损伤修复中的作用及机制研究进展

褚云峰 于红燕 杨琪 彭艳斌 陈仲 刘明 于斐,3*

1.北京大学深圳医院，广东 深圳 518036 2.滨州市滨城区市立医院，山东 滨州 256600 3.骨科生物材料国家地方联合工程研究中心，广东 深圳 518036

关节软骨是一种覆盖于关节表面起到减震和润滑等作用的透明软骨，主要由软骨细胞和细胞外基质构成，由于关节软骨缺乏血管、神经并且与循环系统分离，关节软骨的愈合能力较差，炎症[1]、创伤[2]、肿瘤[3]等可造成其退变损伤。若关节软骨损伤后诊断和治疗不及时，可引起对应关节面及周围组织退变，如椎间盘退变[4]，严重者可继发骨关节炎(osteoarthritis，OA)[5]。随着科技和医疗的进步，人口寿命增加，造成的关节软骨损伤患者数量不断攀升，患者生活质量下降的同时给患者家庭及国家医疗卫生造成沉重负担。只有使损伤关节软骨的形态学、生物力学和生化等方面恢复正常，才能够有效缓解患者症状，这也给临床医务工作者带来了机遇和挑战[6]。

镁元素是机体必不可少的元素之一，在体内仅次于钙、钾、钠排第四，参与人体骨骼的构成并参与机体几乎全部的能量代谢反应，同时镁元素也是酶促反应最重要的辅助因子，对维持生命健康起到重要作用[7]。近些年研究显示，镁元素及镁材料在骨科[8]、心血管[9]、神经科学[10]等领域起到重要作用，也因此受到大量研究者的关注。笔者就镁元素及其合金在关节软骨损伤中的作用及机制作一综述，为相关研究者提供便利。

1 镁元素及镁材料简介

镁(Magnesium)是一种金属元素，符号为Mg，最初是在1808年由英国代维用钾还原氧化镁制得银白色的轻质碱土金属，在自然界中广泛分布。镁离子(Mg2+)是细胞内的主要阳离子，线粒体中分布较多，仅次于钾和磷，正常人含镁约25 g，约2/3分布于骨骼和牙齿，另有约27%分布于软组织。在人体中，缺乏镁可造成情绪不安、手足抽搐、反射亢进等，镁中毒则可导致腹痛、疲乏无力，甚至呼吸困难等，镁元素的平衡对于维持机体健康有重要的作用[11]。

在医学领域，镁材料可以分为非金属材料[12]和金属材料[13]，前者包括含镁陶瓷、含镁有机多聚物材料、含镁凝胶等；后者则是添加了适量的钕、锌、锆等元素的合金。镁材料强度一般比纯镁硬，降解速率减慢，更加适合作为医学内植物的用途，近年来也受到了越来越多的关注。镁材料具有其他材料无法比拟的优势，主要体现在以下几点：(1)镁材料的生物安全性高，正如前文所述，镁材料在机体内降解的主要产物是镁元素，是构成人体的主要元素，并且参与机体多种过程[14]；(2)镁材料的可降解性能好，根据添加的其他物质或金属元素的比例不同，可以制备不同降解速率的镁材料，使其降解过程与疾病情况下周围组织再生的速度相符合，镁材料降解后造成的局部及循环系统Mg2+浓度升高并不造成机体镁中毒，反而能够起到补充Mg2+的作用，对人体有益，另一降解产物氢气也是无毒害的气体，甚至能够起到抗炎作用[15]；(3)镁材料尤其镁合金的生物相容性好，在骨科领域，镁是目前所用金属材料中与骨弹性模量最为接近的金属，其40 GPa的弹性模量与骨3～20 GPa的弹性模量最为契合，进而减少骨科生物材料领域的应力遮挡效应[16]，这在关节软骨损伤修复中软骨及软骨下骨再生中起到重要作用；(4)镁材料的制作成本低，由于其分布广泛，与其他材料相比，获得更为容易，合成费用也大大降低，从而更有利于作为商品化材料大规模生产。

2 镁元素在软骨损伤修复中的作用及机制

OA由软骨损伤引起，镁元素在OA中能够起到重要作用，其可以通过多种途径对机体产生影响，比如饮食补充、局部用药等，而且其在局部或全身浓度变化均有可能通过调控软骨组织或软骨细胞的改变参与到软骨损伤相关疾病OA的发展进程中。笔者以OA为例探讨镁元素在软骨损伤修复中的作用和机制。

Kuang等[17]认为膳食镁与OA之间存在密切关系，机体Mg2+浓度低能够诱导人成纤维细胞衰老，补充镁不仅减缓软骨细胞凋亡，而且促进软骨细胞增殖和分化；膳食中补充镁可以与益生菌协同作用调节肠道微生物组的状态进而影响肠道炎症环境，并参与到OA进程中。Veronese等[18]通过横断面研究证实，每天增加100 mg镁摄入量，平均软骨厚度、胫骨内侧软骨体积、股骨中央内侧软骨体积和平均软骨厚度、胫股中央内侧隔室的软骨体积和平均软骨厚度均显著增加，提示镁在预防和治疗膝OA中的作用。Yao等[19]发现Mg2+通过促进缺氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1，HIF-1α)介导的软骨基质合成，进而在OA中起到作用，他们进一步证实关节腔注射Mg2+和维生素C可通过抑制骨赘形成和疼痛相关神经肽的表达减轻小鼠OA模型的关节破坏和疼痛，并且这一过程显著促进了滑膜巨噬细胞的M2极化，并认为这是治疗OA的一种替代疗法。Liu等[20]建立新西兰大白兔创伤后骨关节炎(post traumatic osteoarthritis，PTOA)模型，使用硫酸镁、氯化钠及氯化钙持续冲洗进行治疗，发现硫酸镁冲洗后血清Mg2+浓度高于其他组别，术后35 d时，滑液中白介素1β(interleukin-1 β，IL-1β)、白介素6(interleukin-6，IL-6)、抗酒石酸酸性磷酸酶5b(tartrate-resistant acid phosphatase-5b，TRAP-5b)和Ⅱ型胶原的表达量低于其他组别，并且软骨表面光滑度、软骨细胞形态、胶原纤维排列和蛋白多糖密度均优于其他组别，认为硫酸镁持续冲洗可以治疗PTOA。Yue等[21]离体及在体实验均证实了Mg2+在OA中的作用，他们使用小鼠软骨细胞系ATDC5发现，Mg2+能够抑制该细胞的细胞外基质钙化，并下调肥大相关基因Runt相关转录因子2(RUNX2)、基质金属蛋白酶13(matrix metalloproteinase 13，MMP13)和10α1型胶原(collagen 10α1，Col10α1)，上调软骨生成基因转录因子SOX9(SRY-related high mobility group-box gene 9)和1α1型胶原(collagen 1α1，Col1α1)，同时通过细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)磷酸化抑制自噬及降低微管相关蛋白轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)的表达；在OA动物模型中关节内持续注射氯化镁则显著减轻OA动物的软骨钙化，认为氯化镁通过抑制自噬保护了膝关节软骨。Muski等[22]评估了OA患者血浆中硅、镁、游离钙的相关性，发现女性OA患者血浆中镁含量明显降低，从而认为女性OA与血浆镁之间存在某种联系，而男性患者中则没有这种联系。Kosik-Bogacka等[23]则调查了波兰北部OA患者术后软骨中钙、镁、锌、铅浓度的关系，发现男性患者中钙、镁、锌浓度显著高于女性。Zeng等[24]分析了关节镜术后单剂量关节内镁的镇痛效果和安全性，发现镁与布比卡因在缓解疼痛及首次镇痛起效时间上没有区别，而且补充镁对软骨组织和软骨细胞有保护作用。Rubio-Martínez等[25]使用甲哌卡因、布比卡因、吗啡和硫酸镁单独或联合刺激马滑膜或软骨细胞，发现吗啡和硫酸镁单独使用或联合使用对马关节组织细胞没有毒性，而二者分别与局麻药甲哌卡因、布比卡因联合使用时，与局麻药单用相比更加降低了两种细胞的活力，这也说明适量Mg2+虽然对生物体有益，但与某些药物不能配伍。由此可知，适量的镁元素能够对OA关节软骨起到保护作用，这可能与性别等因素相关，而且与其他药物配伍能够影响到镁元素的作用。

3 镁材料在软骨损伤修复中的作用及机制

正如以上所述，镁材料可以分为非合金镁材料及镁合金材料，两者均在软骨损伤修复中起到重要作用。不同物质或成分复合不同浓度的Mg2+或镁化合物，其修复软骨损伤时的作用效果及机制不同。

3.1 非合金镁材料在软骨损伤修复中的作用及机制

Angrisani等[26]将高纯度镁柱植入新西兰大白兔膝OA模型中，发现镁柱可以降低OA软骨下骨的损伤程度，并且骨体积显著增加，认为其对OA的进展有益。Bedair等[27]则对镁陶瓷的医学应用进行了总结，认为镁陶瓷能够促进骨、软骨、肾脏组织的再生，具有理想的理化性质和生物学效益。Wang等[28]制备了一种以Mg2+为平衡离子的400 nm非晶态多孔微粒材料，该材料强烈促进了软骨细胞的黏附，并导致编码3A1胶原和SOX9的基因上调，认为该微粒可以通过清除钙离子(Ca2+)防止滑液中钙晶体的形成，并将钙微粒在软骨表面与透明质酸结合后增强软骨细胞的功能。Park等[29]将氢氧化镁纳米颗粒(magnesium hydroxide nanoparticles，MH)加入到多孔聚合物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]支架中制备出PLGA/MH支架材料，该材料在体外增加了骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)软骨生成标志物的表达，并减少了其钙化，同时因减少了BMSCs软骨分化早期的炎性因子如核因子κB的表达及含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶1(csyteine aspartic acic specific protease 1，Caspase1)的释放及而降低了细胞凋亡；该材料在大鼠体内也能够支持骨软骨缺损部位的软骨生成及愈合。Yu等[30]研究了对软骨修复至关重要的钙化软骨区，该区域是透明软骨与软骨下骨之间的钙化区域，他们使用3 D打印技术制备了含不同钙-镁配比的水凝胶支架，发现增加镁后的支架使人深部软骨细胞保持了钙化软骨区特异性细胞外基质标记物和肥大标记物X型胶原的高表达，认为其更适合诱导钙化软骨的形成。Chin等[31]制备了含Mg2+的聚癸二酸甘油酯(polyglycerol sebacate，PGS)支架、含Mg2+的明胶支架以及含Mg2+和磷酸三镁(magnesium phosphate，TMP)粉末的明胶支架用于修复西班牙波尔山羊下颌骨髁状突骨软骨缺损，含Mg2+修复后的软骨中含有更多的糖胺聚糖和Ⅱ型胶原，其中TMP并不降解并可能起到阻碍软骨愈合的作用。Condello等[32]在人体中应用具有Ⅰ型马胶原蛋白和富镁羟基磷灰石三层结构的仿生支架治疗早期OA患者膝关节骨软骨损伤，认为使用此类仿生支架治疗早期OA能够提供良好和稳定的临床结果，患者满意度高，并发症发生率低。Martínez Snchez等[33]对生长板骨折进行了分析，发现镁基材料能够诱导与细胞软骨发生和软骨形成相关的蛋白质的表达，从而有利于软骨再生。Wan等[34]在小鼠膝OA模型中使用含镁粉的聚(乳酸-羟基乙酸)微粒作为传送系统，该系统可以在机体体液中镁的钝化/活化循环介导下作为持续性传递氢气的“仓库”，起到减轻组织炎症，防止软骨破坏，阻止OA进展的作用。

3.2 镁合金材料在软骨损伤修复中的作用及机制

Jungesblut等[35]使用德国Syntellix AG公司开发的经过CE认证的 MAGNEZIX可降解镁合金压缩螺钉固定不稳定的剥脱性骨软骨炎损伤及移位的骨软骨碎片的安全性和有效性，发现在术后11个月左右的短期随访中，患者原来的不稳定因素消失，MAGNEZIX可降解镁合金为骨软骨损伤及碎片提供了稳定性并引起及时的愈合。李向前[36]研究颈椎间盘退变疾病时使用镁合金钢板作为内固定材料在山羊颈椎行环锯减压椎间植骨融合术后用镁合金钢板进行固定，发现此材料能够重建颈椎前路术后的颈椎即刻稳定性，并且因其可吸收而是一种比较理想的颈椎内固定材料。王常成[37]使用兔BMSCs、羊膜、镁合金共培养建立起负载干细胞的镁合金生物材料，用其修复兔软骨缺损，发现三者共培养的支架能够促进软骨细胞生成，有利于软骨缺损修复。张尧[38]使用激光打孔法制备了多孔镁合金支架，并在其表面制备钙磷涂层提高抗腐蚀性，当人BMSCs复合在该材料表面上时，在体外可以产生软骨特异性的Ⅱ型胶原及蛋白聚糖，促进细胞增殖，诱导产生软骨组织，但是无涂层的镁合金因降解过快而不适宜接种细胞。孙仰白[39]则构建了兔脂肪干细胞、β磷酸三钙(β-tricalcium phosphate，β-TCP)/多孔镁合金双相支架组织化工程软骨复合体，用其修复兔膝股骨外髁负重区骨软骨缺损，发现其在动物体内可提供力学支撑，并不断降解，同时促进了缺损处骨与软骨的修复。Shimaya等[40]在发现60%以上的滑膜间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)促进软骨再生的基础上，证实整合素α3和β1的中和抗体能够抑制镁对人滑膜MSCs与胶原的粘附，而且镁可能通过中和整合素β1抗体促进体外人滑膜MSCs软骨形成中软骨基质的合成。

4 小结与展望

关节软骨损伤可由炎症、创伤、肿瘤等造成，并且有关节软骨损伤的患者数量逐年增加，其修复成为了骨科医生关注的热点。国内外研究证实，镁元素在退变软骨组织及软骨细胞中有重要作用，因镁元素在生物体内功能重要及镁材料生物安全性高、可降解性能好、生物相容性好及制作成本低等优势，使得含镁材料成为软骨损伤修复领域的焦点，镁材料可通过携载生物活性物质处理的种子细胞使得支架材料的三要素(生物材料、种子细胞及生物活性物质)有机结合为一体，并通过相关信号通路中靶因子的作用影响软骨基质及基质合成降解相关酶类表达，从软骨及软骨下骨的整体修复软骨损伤。但由于单纯镁材料强度低、降解产物中氢气含量多等问题，研究者需要通过材料改性或者添加其他材料及元素，并结合种子细胞及各种优势生物活性物质，制备出降解速率与软骨再生速度相符、能够控释药物、弹性模量与软骨组织接近的镁材料，并了解该类材料在促进软骨再生中的作用机制对医疗领域治疗软骨损伤至关重要，这可以为患者带来福音。