髌下脂肪垫在膝关节骨关节炎发病机制中作用的研究进展

刘伦,王云鹭,李锡勇,韩鹏飞,张鹏,李晓东*

(1.长治医学院研究生院,山西 长治 046000;2.长治医学院附属和平医院骨科,山西 长治 046000;3.长治市第二人民医院关节外科,山西 长治 046000)

膝骨关节炎(knee osteoarthritis,KOA)是一种比较常见的慢性关节病,伴有慢性的关节炎症、关节软骨的退变和边缘骨赘的形成。KOA主要表现为膝关节的持续疼痛,伴有不同程度的活动受限,严重影响人们的生活质量和日常活动。关于KOA的研究一直是骨科研究领域的热点。髌下脂肪垫(infrapatellar fat pad,IFP),又称Hoffa脂肪垫,因著名外科医生Albert Hoffa在1904年首次描述其解剖结构而得名,位于股骨髁、胫骨平台、髌骨与髌腱之间,组织结构上主要为脂肪细胞。过去IFP的主要作用是起到缓冲以及润滑的功能,然而最新的研究表明,IFP可能通过与滑膜、关节软骨和软骨下骨的相互作用,参与KOA和IFP的发生发展。有关IFP与KOA关系的流行病学调查较少,IFP在KOA中的作用尚不清楚。随着KOA数量的增加,人工全膝关节置换术(total knee arthroplasty,TKA)的数量也不断增加,而IFP的术中处理,即保留IFP还是部分切除IFP成了争议点[1]。本文从解剖学和功能方面介绍了IFP,以及IFP在KOA发生发展中的作用,并详细讨论了不同手术方式对术后临床预后的影响。

1 IFP的解剖与功能

1.1 IFP的解剖 IFP位于股骨髁、胫骨平台、髌骨与髌腱之间,填充于膝关节前方的空隙,是位于关节囊内和滑膜外的结构,有着丰富的血运和神经支配。IFP的血运主要是由膝上动脉和膝下动脉的分支供应的,形成的血管网下半部分穿过IFP,并供应部分髌骨。IFP前外侧的神经支配主要来自股外侧神经、胫神经和腓总神经,前内侧由隐神经、胫神经、闭孔神经、股内侧神经的分支支配。IFP内有着S100和P物质阳性神经末梢构成的高密度感觉神经纤维,这是导致膝前痛的原因。P物质阳性神经纤维约占IFP神经支配的1/4。IFP释放的P物质不仅介导疼痛,还可通过旁分泌的方式促进多种细胞分泌白细胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-6和IL-8引起促炎作用[2]。与P物质相反,各个感觉神经纤维分泌的降钙素基因相关肽具有舒张血管的作用,这可能导致滑膜增厚或滑膜炎。IFP还含有交感神经纤维,往往通过释放内源性阿片类物质、去甲肾上腺素和抑制P物质的释放而产生与感觉神经纤维相反的作用,从而起到对抗术后IFP纤维化和镇痛效果[3]。与保守治疗的KOA患者相比,在TKA术后膝前痛的患者中,IFP的感觉神经支配优于交感神经支配,这可能是导致TKA术后膝前痛和局部炎症持续和加剧的原因。

1.2 IFP的功能 IFP的基本功能是分泌滑膜液、促进润滑,在运动中可以起到稳定髌骨、保护膝关节免受机械损伤的作用。IFP的压力和体积可以随着膝关节运动而变化,当极度屈膝时,IFP的组织压力增高,同时提高了髌骨的稳定性。IFP还是髌腱和胫骨平台之间的减震垫。IFP可以抗机械应力,当膝关节屈曲<20 °或>100 °时,IFP的压力增加,而这也增加了膝前痛和Hoffa综合征的风险。过度的压迫、组织缺血和IFP反复损伤导致的慢性撞击是导致Hoffa综合征的主要原因。这类患者的IFP表现为局部炎症、肥厚、纤维化和撞击,从而导致结构退化,出现膝前痛、功能受限、关节积液或髌周肿胀等症状。IFP的脂肪细胞随年龄增长而增大,较为坚硬的Ⅰ型胶原纤维同样增加,而较为柔软的Ⅲ型胶原纤维减少,这表明随着细胞衰老IFP的弹性性能降低[4]。

2 IFP在KOA发病机制中的作用

最新的研究表明,IFP可能在KOA的发生发展中起作用[5]。从结构和功能来看,IFP是由滑膜组织进化而来的,这表明IFP与滑膜以及关节囊之间存在着广泛的联系。因此,IFP和滑膜应被视为一个解剖学功能单元,而不是仅仅相互沟通的两个独立结构[6-7]。

KOA患者的IFP组织与健康组织的免疫组化结果相比差异有统计学意义,比如:纤维化增加,血管化增加,淋巴细胞浸润增多,生长因子和细胞因子如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和单细胞趋化蛋白1(monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)水平升高[8]。两个临床表现和影像学诊断的相似KOA患者,在TKA术中切除的IFP切片却表现出了不同程度的纤维化,这种差异可能取决于多种因素,IFP纤维化等组织学变化可能通过修饰细胞因子产生促进KOA的进展。细胞因子的产生也可能改变IFP的生物力学特性,从而损害其减轻膝关节压力的能力,促进和持续加重关节损伤[8]。

生物力学研究表明,与健康对照组相比,KOA患者IFP的硬度增加,因而失去了通过周围组织结构重新分配压力的能力。健康IFP脂肪小叶周围的应力是均匀分布的,而KOA患者相反,并且脂肪小叶硬度增加,导致整体硬度增加。此外,KOA IFP组与正常对照组的结缔组织的分布模式和显微结构也不同。健康的IFP显示沿纤维方向的拉伸应力是均匀分布的,这表明纤维可能具有抗扭转的能力。相比之下,KOA IFP组患者由于纤维在小叶间隔内的随机分布,导致拉伸应力不均匀,进而造成对周围软组织比如髌腱、半月板和滑膜的损伤[9-10]。

2.1 病理生理 IFP细胞中脂肪细胞占到了绝大多数,其次还有成纤维细胞、免疫细胞、巨噬细胞(促炎M1巨噬细胞和抗炎M2巨噬细胞)、肥大细胞(mast cell,MC)和淋巴细胞。IFP的不同组织和细胞成分可以分泌多种细胞因子、脂肪因子和生长因子。这些因子又反过来影响细胞间的相互作用,造成持续的局部炎症反应,同时也可诱发神经性疼痛和慢性神经源性炎症。

细胞因子:IFP中的免疫细胞可以分泌多种细胞因子。在KOA患者中,IFP中白细胞介素(interleukin,IL)-6及可溶性白细胞介素6受体(soluble interleukin 6 receptor,sIL-6R)的水平明显高于皮下脂肪组织。IL-6可以通过旁分泌的方式影响其他关节成分(滑膜、关节软骨、软骨下骨),从而在KOA的进展中发挥重要作用[8]。经典的IL-6信号通路通过抑制人软骨细胞中蛋白多糖的合成而导致膝关节软骨溶解。此外,IL-6也可以抑制Ⅱ型胶原的再生,促进IL-1β介导的蛋白多糖变性,诱导多种金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)和含血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs,ADAMTSs)的表达,进而介导软骨变性[11]。IL-1β可以通过上调聚蛋白多糖酶和MMPs,诱导抗炎介质,降低软骨细胞外基质的合成来分解软骨细胞[12]。此外,IFP中的促炎性细胞因子如肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α和IL-1β,抗炎性细胞因子如IL-4、IL-10和前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2),即使在正常浓度下也可促进KOA的发展[13]。

脂肪因子:IFP中脂肪细胞分泌的脂肪因子,例如:脂联素、瘦素、抵抗素、内脂素、脂联素在抗炎过程中起到重要的作用,它参与调节糖脂代谢,有抗糖尿病和抗动脉粥样硬化的作用。它促进M2巨噬细胞产生抗炎细胞因子IL-10,并与凋亡细胞结合,从而促进巨噬细胞摄取IL-10。吞噬凋亡细胞反过来又促进M2巨噬细胞的分化,使脂联素保护机体免受局部和全身炎症的影响。现有研究表明,KOA患者血清中的瘦素浓度升高,它可以刺激软骨细胞合成降解软骨的MMPs和促炎细胞因子。抵抗素不是由IFP分泌的,而是由成人的单核细胞和巨噬细胞产生的,可以导致软骨结构的损伤。而脂肪酸结合蛋白4(fatty acid-binding protein 4,FABP4)[14]、WNT1诱导的信号通路蛋白2(WNT1-inducible signaling pathway protein 2,WISP2)和chemerin[13]主要发挥促炎的作用。与健康人相比,KOA患者IFP中的促炎性脂肪因子如瘦素、FABP4、WISP2和chemerin水平较高[15]。FABP4主要在巨噬细胞和脂肪细胞中表达,促进脂肪细胞内游离脂肪酸的转运,从而在代谢性疾病的发病中发挥重要作用[16]。现有研究表明它与骨关节炎具有相关性,因为其表达增加与骨关节炎的严重程度相关[17]。WISP2是CCN家族的一种基质细胞蛋白,在细胞增殖、细胞外基质和组织调控与再生、血管化和纤维化中发挥作用[18]。Chemerin在白色脂肪组织中表达,与能量代谢有关,促进葡萄糖摄取、脂肪分解和脂肪细胞分化,并促进促炎性细胞因子和软骨溶解性MMPs的产生[19]。

生长因子:VEGF是新生血管生成的介导因子,参与了包括KOA在内的炎性关节疾病的发生发展。在KOA患者与健康对照组的对比中,KOA患者的VEGF表达更高,VEGF水平与滑膜血管化程度呈正相关,进一步证实了IFP与滑膜之间的相互作用[8]。事实上,VEGF可以通过增强炎性细胞的侵袭力和促进局部疼痛受体的表达而促进组织损伤和疼痛的发生[20]。成纤维细胞生长因子-2(fibroblast growth factor-2,FGF-2)在关节软骨稳态中的作用存在争议。一方面,FGF-2可以诱导软骨蛋白聚糖降解并抑制软骨细胞内蛋白聚糖的持续积累。FGF-2能有效地拮抗蛋白聚糖的合成,诱导关节软骨中Ⅱ型胶原降解酶MMP-13,促进软骨溶解因子和促炎因子如ADAMTS-5、P物质和TNF-α受体的表达。另一方面,FGF-2可以通过抑制IL-1诱导的软骨变性及软骨溶解性ADAMTS-4和ADAMTS-5的表达而发挥抗炎作用。转化生长因子β(transforming growth factor β,TGF-β)也存在类似的观察结果。TGF-β负责调节细胞增殖、组织形成、修复和炎症等一系列过程,并维持正常软骨中分化的软骨细胞表型[21]。然而它在健康或疾病状况的作用是不同的,这取决于其浓度和暴露时间。IFP中参与KOA发生发展的细胞和分子成分见表1。

表1 炎性因子和单个核细胞在OA的发生发展中的作用

2.2 免疫作用 当触发促炎状态时,循环免疫细胞外渗到IFP和滑膜中,后者分泌的前列腺素和IL反过来又通过吸引淋巴细胞到内皮细胞,并促进其迁移到周围的IFP和滑膜中来,促进免疫细胞进一步外渗。此外,P物质的释放促进了神经源性炎症,进一步趋化和舒张血管[22]。先天免疫系统和适应性免疫系统启动的免疫反应在KOA的发病中起着重要作用,它在软骨损伤后被激活的[23]。关节组织细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的创伤性损伤是由于连续或重复过度使用以及有规律的老化过程所致的微损伤,这些结构变化引发损伤相关的分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs),进而激活先天免疫系统。DAMPs通过与免疫细胞表面的模式识别受体相互作用而启动炎症过程。

巨噬细胞是先天免疫系统的重要细胞类型,它与KOA的发生发展具有较高的相关性[24]。巨噬细胞最主要的是M1和M2巨噬细胞,其分泌特征取决于各自的亚型。依赖T辅助细胞1型分化的M1巨噬细胞通过产生促炎细胞因子(即IL-1β、TNF-α、IL-6和IL-12)和释放促纤维化介质,如结缔组织生长因子(connective tissue growth factor,CTGF),在较长时间内促进炎症反应。随着MMPs和蛋白多糖降解ADAMTS-4和ADAMTS-5,巨噬细胞释放催化酶,进而导致软骨组织退化。而依赖T辅助细胞2型分化的M2巨噬细胞主要分泌具有抗炎作用的IL-10,与M1巨噬细胞分泌的促炎细胞因子达到平衡。M2巨噬细胞中多个过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor,PPAR)上调基因的转录,从而促进Arg1和IL-1受体拮抗剂的表达。PPARγ通过激活脂肪细胞,调节糖脂代谢,抑制关节软骨组织炎症,促进脂肪细胞分化,刺激脂联素分泌。此外,与早期KOA和对照组相比,终末期KOA中PPARγ基因和蛋白的表达增加。相反,PPARγ基因在IFP中的表达低于皮下脂肪组织,这表明PPARγ驱动的抗炎机制可能与KOA的发生发展有关。

与类风湿性关节炎相比,KOA患者的滑膜组织中MC随着Kellgren-Lawrence分级的增加而增加[25]。最近的一个创伤后OA小鼠模型中,MC转移到缺乏MC的小鼠中会导致软骨破坏加重,而抑制MC可防止软骨变性[26]。此外,抑制MC类胰蛋白酶也可防止软骨变性,这表明蛋白酶会破坏软骨[26]。事实上,在体外实验中,MC类胰蛋白酶通过激活潜在的MMP-3和MMP-13而破坏软骨。由于IFP与皮下脂肪组织或健康IFP与KOA相比,B细胞的浓度没有明显的变化[7,22],因此IFP内存在的B细胞在KOA的发生发展中的作用不大。

2.3 IFP衍生间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)的作用 在高度血管化的IFP中,大量的MSCs以血管周围细胞的形式存在[7]。因IFP来源的MSCs容易获得,体外增殖快,成软骨分化能力强而获得了广泛的应用[7]。研究表明,MSCs的分化能力可能与起源组织有关。IFP组织在关节内的位置及其与关节软骨的解剖关系为IFP-MSCs提供了强大的软骨分化能力[7,27]。除了利用IFP-MSCs进行软骨移植外,必需功能性可溶性因子介导的IFP-MSCs的治疗作用也有广阔的应用前景。这些因子是由细胞外囊泡(extracellular vesicles,EV)中的IFP-MSCs分泌的,可作为无细胞MSC疗法促进软骨再生。在这种疗法中,30～150 nm的外泌体是比较合适的,因为它们在多种生理条件下的稳定性都较强。外泌体的功能是一种细胞间通讯手段,将生物活性脂质、核酸或蛋白质从供体细胞转移到受体细胞,以实现生物代谢过程或促进细胞间相互作用[28-29]。另外,EV在治疗肌肉骨骼疾病的治疗方面具有很大潜力[29]。

3 手术切除IFP在TKA中的作用

按照现在的手术标准,为了扩大术野,大多数TKA手术中IFP被切除或部分切除[1]。目前TKA临床预后依然存在争议,没有明确指南表明术中应该切除或保留IFP[1,30]。来自英国的一项研究显示:23.1%的IFP被切除,62.4%的IFP被部分切除,9.8%的IFP被保留,这些组之间的术后满意度并无差异[1]。鉴于这种低IFP保留的手术率的情况,最近的一项动物实验研究表明,保留IFP可能对KOA的发展有负面影响[31]。在啮齿类动物模型中去除IFP后的豚鼠,几个月后在先前切除的IFP的部位形成了纤维结缔组织,比较切除IFP和保留IFP的膝关节,观察到切除IFP的膝关节软骨下骨和关节软骨的OA相关损伤减少[31]。然而,在TKA术中切除或保留IFP的确切后果仍有争议,尚未完全解决。IFP切除术对术后结果的主要影响是膝前痛加重、髌腱血流减少、并可能造成瘢痕形成和髌腱缩短[32]。此外,并发症发生率可能因手术方式而异。将来仍然需要更多高质量的随机对照试验来明确是否应当切除髌下脂肪垫[33]。

3.1 膝前痛 Seo等[34]对448例TKA(其中201例IFP切除,247例IFP保留)术后膝前痛的患者进行了回顾性研究,结果发现TKA术后72 h疼痛没有差异。然而,手术后24～48 h用数值评分量表(numerical rating scale,NRS)测量的最大疼痛水平仅在切除IFP组显著降低[34]。相反,Pinsornsak等[35]在一项90例患者进行的随机对照试验中发现术中切除IFP后6个月内膝前痛增加。Meneghini等[36]在对1 055例TKA术中切除IFP的回顾性研究中报告了术中切除IFP后疼痛加重的趋势。Tanaka等[37]比较了120例接受TKA治疗的继发于类风湿性关节炎的KOA患者,IFP切除和滑膜切除术的临床预后,结果发现与未行髌下滑膜切除术或IFP切除术的患者相比,接受滑膜切除术和IFP切除术的患者膝前痛的发生率显著增加[37],因此认为IFP可能导致膝前痛。总之,术中保留IFP可能导致术后1～2个月疼痛增加,术中切除IFP可能导致术后3～6个月疼痛增加[38]。

3.2 髌骨血运 术后髌骨血运的情况同样存在争议。IFP切除后导致的髌骨血运减少可能是导致髌骨缺血性坏死的原因[39]。Subramanyam等[39]研究表明,切除大部分IFP会严重阻碍髌骨血运,而部分切除(切除50%或更少的IFP)则不会影响髌骨血运。相反,McMahon等[40]在术后1个月内未发现因切除IFP而导致的髌骨血运障碍。

3.3 活动范围与功能转归 Pinsornsak等[35]在一项前瞻性研究中证实,TKA术中切除IFP不会导致美国膝关节协会评分(knee society score,KSS)的显著差异,也不会降低膝关节屈曲能力。Meneghini等[36]观察到术后活动范围和功能评分方面,切除IFP和不切除IFP的患者差异无统计学意义。相反,Tanaka等[37]通过影像学检查发现切除IFP会造成更大的活动受限(尤其是屈膝)、股四头肌轻微无力及髌腱缩短。然而,这项研究主要研究的是继发于类风湿关节炎的KOA患者,而不是原发性骨关节炎患者。

3.4 髌腱长度 现有文献对术后髌腱长度影像学改变的说法是相互矛盾的。在Pinsornsak等[35]的一项前瞻性研究中,TKA术中切除IFP的患者,术后随访12个月髌腱长度与术前比较差异无统计学意义。ⅰmren等[41]在术后5年未见髌腱缩短。相反,Lemon等[42]报道TKA行IFP切除的患者术后1～3年髌骨肌腱明显缩短。同样,Chougule等[32]报道IFP切除后1年、5年髌骨肌腱明显缩短。

3.5 并发症 Seo等[34]发现保留IFP可显著降低术后伤口愈合障碍的发生率。伤口愈合障碍是指干预3 d以上的伤口分泌延长。在Pinsornsak等[35]的一项研究中,IFP切除或保留后均未发现并发症。

4 展 望

综上所述,随着KOA的患者数量越来越多,TKA也越来越多,关注点则转移到KOA的发生发展以及预防术后预后不良。IFP与KOA发生发展有着密不可分的关系,因此可以从IFP中提取MSCs以修复磨损的关节,或是控制炎性因子来减轻膝关节疼痛,这也许是控制KOA发生发展的一种方法。虽然IFP切除后的KSS没有差异,但切除IFP对髌腱长度、术后膝前痛和活动范围的影响在不同研究中有所不同,有时则呈现出相互矛盾的结果。这同样需要前瞻性的随机对照试验来验证,并制定更新的手术标准。因此,本文综述讨论了IFP的解剖结构,以及IFP在KOA发生发展中的作用,以探讨缓解患者疼痛以及延缓KOA进展的办法,有助于外科医生改进手术步骤以及指导术中决策,这将为预防以及治疗KOA提供新的方向。