膝关节纤维化的研究进展

苗田雨 王宁宁 努尔比亚·克其克 李晶晶 帕丽达·买买提

关节纤维化是由于过度的炎性反应引起的关节病理性硬化,其伴随的膝关节疼痛和活动范围受限(ROM)严重阻碍术后康复、临床结果和基本日常生活活动(ADL)[1-3]。关节纤维化可能继发于损伤、手术创伤、关节炎或感染,也可能是由于特殊原因引起的,对患者造成了严重的限制[4]。因此,了解膝关节纤维化的病理生理,采取及时而有效的治疗技术,对提高患者的生存质量及改善功能尤其重要。然而,目前关节纤维化的发病机制尚不完全清楚,迫切需要提高我们对关节纤维化病理生理学、治疗进展及预后的理解。本综述的目的是研究膝关节纤维化的病理生理学,描述当前临床的治疗策略,并探索关节纤维化的预后及未来方向。

1 流行病学

随着经济的提升和生活水平的不断提高,骨关节疾病的发病率逐渐上升,手术治疗为骨关节疾病的重要治疗方法,膝关节纤维化为常见的术后并发症,其在全膝关节置换术后的发病率高达10%[5]。膝关节纤维化是骨科中发病率较高、治疗难度较大的关节疾病,常见于关节感染、关节周围骨折后固定、关节周围开放性创伤、关节前后交叉韧带损伤术后等,虽然关节纤维化可能发生在大多数关节,但在交叉韧带重建手术、全膝关节置换术(TKA)或关节周围骨折的接骨术后的外科矫形手术中,膝盖是最常见的部位[6-8]。术后出现慢性疼痛和肿胀、关节活动受限等症状多数与关节纤维化相关[1]。

2 病理生理学

目前,普遍认为关节纤维化是由免疫失调引起,大多数炎症疾病参与这种失调,机体损伤产生炎症反应,诱导了促炎因子和转化生长因子的产生,使巨噬细胞、淋巴细胞增加,促进成纤维细胞的增殖,成纤维细胞是疏松结缔组织中主要的、最丰富的细胞成分[1],由间充质细胞分化而来,通过产生和维持细胞外基质(ECM)的结构蛋白、粘附蛋白和基质蛋白,在组织发育、结构和局部细胞分化中起着重要作用[1, 9]。成纤维细胞的增殖和ECM蛋白的过度沉积导致纤维瘢痕组织的形成[1,9],这种良性结缔组织增生是导致患者严重残疾的原因。在组织损伤的情况下,成纤维细胞呈现不同程度的变性、坏死和缺损,需要通过细胞间质的形成进行组织修复,在此过程中成纤维细胞的作用十分重要,研究表明,成纤维细胞与多种炎性细胞因子产生反应,包括转化生长因子(TGF)β1、白介素(IL)-1β、白介素-6、白介素-13、前列腺素等[10-12]。这些信号诱导原肌成纤维细胞发生肌纤维母细胞分化,促进损伤部位收缩和ECM蛋白生成的上调[9, 10, 13]。ECM也会释放相关物质,例如层粘连蛋白、纤维连接蛋白等[14]。侯靖钊等[15]的研究中,通过制备膝关节纤维化的兔模型,观察术区组织的纤维化情况,得出了层粘连蛋白可以抑制成纤维细胞凋亡,促进膝关节纤维化进展的结论。同时,关节纤维化后,关节组织中波形蛋白(vimentin)表达升高,使关节组织弹性下降,TGF-β是纤维化的主要参与物,主要有三种亚型,分别为TGF-β1 、TGF-β2 、TGF-β3。在纤维化早期,组织通过大量释放TGF-β1,与多种细胞相互作用,形成复杂的纤维化网络,已被确定为纤维化的主要驱动因素[4, 16, 17]。TGF-β1由巨噬细胞、内皮细胞产生,通过自分泌、旁分泌调控细胞生长,是最主要的致纤维化因子之一[18],其可以诱导肌成纤维细胞的分化以及细胞外基质的合成,导致细胞外基质中Ⅰ型胶原纤维和Ⅲ型胶原纤维的分泌增加,从而关节纤维化加重。

3 治疗方法

目前,膝关节纤维化的治疗重点在于改善膝关节活动度。治疗手段主要包括:①药物干预;②物理干预;③外科干预。研究表明,关节镜下关节松解术是目前膝关节纤维化最常用的治疗方法[6]。

3.1 药物干预 众多药物被证明治疗关节纤维化有效。关节纤维化兔模型中,肉毒杆菌毒素用于防止前交叉韧带横断造成的创伤后关节纤维变性[19],已经证明可以减少全膝关节置换术后关节纤维变性患者的屈曲挛缩[20]。减少炎症和控制疼痛的多模式方法可改善关节纤维化和提高关节活动度。白三烯受体拮抗剂可通过抑制炎症级联反应减少创伤后关节纤维化[21, 22]。非甾体抗炎药通过抑制环氧化酶(COX)-1和COX-2有效减少前列腺素的合成,增加损伤组织中的痛觉感受器的兴奋性,降低炎性因子水平。阿那白滞素是一种IL-1拮抗剂,可改善关节纤维化患者的活动范围[2]。富马酸酮替芬是一种抗组胺药,通过抑制钙依赖性肥大细胞脱颗粒并阻断组胺,减少创伤后关节挛缩中的肌成纤维细胞和肥大细胞,同时改善运动范围[23]。肩峰下注射溶组织梭菌胶原酶会使胶原沉积溶解,可有效治疗关节粘连,也可用于治疗掌筋膜挛缩症中的纤维化[24, 25]。细菌胶原酶是一种非特异性的胶原酶溶解酶,具有降解胶原蛋白的能力,在人体关节内应用胶原酶仅一次注射即可导致软骨破坏。在固定引起关节纤维化大鼠模型中,关节内胶原酶给药改善了运动范围并增加了Ⅲ型胶原的含量[26]。此外,TGF-β抗体、TNF-α抗体、促炎因子抗体等生物制剂,通过阻断细胞因子与肌成纤维细胞的反馈通路,减少细胞外基质的沉积,从而改善关节纤维化。

3.2 物理干预

3.2.1 动态和静态渐进夹板:关节挛缩是目前常见的慢性骨关节疾病,关节挛缩一旦形成,常常会引起一系列的病变,其中关节纤维化在关节挛缩的病理学中起到重要作用,动态和静态渐进式夹板已被证明可改善软组织挛缩的活动范围,这些挛缩导致肘关节和膝关节屈曲或伸展的轻度或中度丧失[27-30]。对全膝关节置换术后患者进行1～4个月的静态夹板结果显示,患者关节活动范围平均增加25°,膝关节屈曲平均增加19°[31]。在一项对232例关节僵硬患者进行动态和静态渐进夹板治疗的系统评价中,得出动态和静态渐进夹板对恢复关节运动,改善关节活动度具有良好的效果的结论[32]。

3.2.2 物理疗法:目标是缓解疼痛、减轻水肿以及控制炎症,被用作关节纤维性变的一线治疗,并可与夹板结合使用[8, 33, 34]。被动活动和包膜拉伸是两种最常用的治疗方式,关节活动可有效防止关节粘连,缓解关节纤维化[35],应尽可能促进患者早期运动。

3.2.3 物理因子治疗:将声、光、电、磁以及冷热等物理能作用于人体,通过神经、体液或内分泌等调节机制,达到预防和治疗疾病的目的。刘阿英等[36]的研究中,通过对新西兰白兔给予低频电刺激治疗,结果显示,低频电刺激为一种安全高效的物理因子治疗方法,可以提高肌纤维的收缩能力,抑制骨骼肌的纤维化。陈爽等[37]的研究中,通过对新西兰白兔进行伸直型膝关节挛缩制备,并采取超短波疗法干预,研究结果表明,超短波疗法可以通过降低TGF-β1和结缔组织生长因子(CTGF)的表达,减轻膝关节纤维化。

3.3 外科干预 关节纤维变性的外科治疗包括对关节进行麻醉并完全放松肌肉后操作,以及关节镜下或开放式手术松解术等。

3.3.1 麻醉下闭合操作:麻醉下闭合操作(MUA)可改善关节僵硬患者的关节活动度。通常在全身麻醉下,使用肌肉松弛剂以及屈曲髋关节和膝盖以实现90°膝关节屈曲,轻轻手动拉伸关节囊,使髋关节外展、内收和旋转[38],当运动范围得到满意的改善时,手术完成。研究表明,MUA后,再进行物理治疗和(或)夹板固定,有助于改善关节运动[39]。如果患者在手术后的前6周内进行了物理治疗,但未能取得进展,则可考虑采用MUA,然后进行疼痛管理。MUA后运动范围的平均改善30°～47°,在10年的随访中,运动范围平均改善约30°[40]。Araghi等[39]在一项对51例肘部关节僵硬的患者实施麻醉下闭合操作的实验中得出结论,该术式可恢复关节运动功能、增加关节稳定性。

3.3.2 手术松解:膝关节纤维化后会发生膝关节粘连,使滑膜和脂肪垫发生炎症,导致关节囊增厚。关节镜下粘连松解术(LOA)是一种由于关节周围软组织粘连所致的关节功能受限而进行的软组织松解术,从而恢复关节功能的术式。主要治疗局灶性和弥漫性病理性纤维瘢痕组织[41],包括肌腱、肌肉组织、挛缩瘢痕组织的松解,挛缩松解可在关节镜下或开放性手术中进行。手术方式的选择取决于疾病病理学、运动丧失的部位或方向等。对于关节纤维化,开放式松解术是一种可行的选择。Arbuthnot等[42]的研究中,手术松解对患者的关节活动度平均改善了36.2°。

3.4 间充质干细胞 间充质干细胞(MSCs)在纤维化疾病的治疗中具有良好效果[43, 44]。但由于移植后的排异反应、生存率等问题,其应用受到一定限制。MSCs通过外泌体(Exo)发挥作用,其是一种具有特异性的亚细胞结构,在细胞之间的信号转导中发挥重要作用[45]。在贾大洲等[46,47]的研究中,通过提取髌下脂肪垫干细胞(IPFSCs),制备大鼠膝关节纤维化模型,IPFSCs具有较强的增殖和分化能力,容易获得,是一种理想的供体选择,对供体损伤较小,研究中建立了IPFSCs造模区,4周后通过组织标本收集,观察HE染色、Masson染色以及免疫组化结果,结果表明,人IPFSCs可以通过抑制炎症环境下的成纤维细胞增殖,有效延缓膝关节术后纤维化的进展。

4 关节纤维化的动物模型

目前用于研究关节纤维化的动物模型主要有鼠、兔、犬以及灵长类[48-51]。

4.1 鼠模型 鼠通常可用于研究肩、膝和踝的关节纤维变性。在此,我们总结了无创模型或侵入性诱导的纤维化模型。

4.1.1 无创模型:关节固定是关节严重创伤性损伤或其他骨骼疾病患者的常见治疗方式,不正确的固定或过长的固定时间常导致关节纤维化,因此可通过石膏模或绷带诱发纤维化。在大鼠肩部挛缩模型中,用石膏绷带覆盖整个前肢、肩部和胸部可诱导炎性反应,随后出现肩部纤维化[25,52,53]。在一项研究中,在石膏固定的基线、3 d、1周和3周获取关节囊,结果发现,基质金属蛋白酶(MMP)-2和MMP-9浓度在固定的前2周升高,随后IL-6表达增加,肩外展活动度降低[53]。在Zhang等[54]通过TGF-β1诱导关节囊成纤维细胞模型,促进成纤维细胞分化成肌成纤维细胞,胶原增生和细胞外基质的沉积。

4.1.2 侵入性模型:诱导关节纤维化的侵入性方法包括使用缝线、钢丝或钢板将肱骨固定在肩胛骨上用于肩部固定[55,56],或将股骨和胫骨固定角度用作膝盖固定[57-59]。在一项研究中,对大鼠膝关节进行内固定,在固定2周后,关节活动度显著降低,同时胶原纤维束的排列紊乱,持续到16周的固定[57]。Kaneguchi等[59]的研究中,对大鼠膝关节进行3周的外固定后,大鼠关节囊中出现胶原沉积伴有成纤维细胞增殖,纤维化进一步发展。作者团队在前期研究中,通过改良Nagai法,利用克氏针制作关节挛缩模型,模型组大鼠关节活动度显著降低,诱导了关节纤维化[60]。

4.2 兔模型

4.2.1 无创模型:有研究在一种固定兔膝关节的模型中,模拟关节挛缩的临床表现,损伤后囊,造成关节内损伤及包膜损伤,促纤维化因子表达上调[61]。在Zhou等[62]的研究中,将兔膝关节固定在石膏中,固定6周后,兔膝关节活动度受限,滑膜增厚,胶原沉积增加,关节囊TGF-β水平升高。

4.2.2 侵入性模型:Nesterenko等[63]在新西兰白兔股骨髁的非软骨部分制备3 mm的缺损,过度伸展关节以破环后囊,在固定16周后,固定组的平均挛缩角度增加,且后囊损伤,促纤维化因子上调,此模型主要依靠固定膝关节活动度,诱发关节纤维化形成。在Hildebrand等[64]的研究中,对8只新西兰白兔使用Kirschner线将膝关节固定在最大屈曲度,8周后取出,再活动8周和33周后膝关节的平均屈曲挛缩角度显著增加,且关节囊内肌成纤维细胞数升高。

4.3 犬模型 Schollmeier等[51]对10只比格犬进行12周的关节固定,在固定12周后发现,被动运动范围明显受损,运动时关节内压升高,关节腔充盈量减少。

建立动物模型,是为了防治人类疾病,基于动物模型的实验研究,可以深入的研究疾病的发病机制以及治疗方法。大多数关节纤维化模型的产生机制是一致的:ROM下降,包膜增厚增加,滑膜长度减少、纤维化增殖,胶原沉积和TGF-β1表达增加。所以运用动物模型可做为药物筛选研究及初步机制研究的首选,为近代医学研究常用。

5 预防管理

针对关节纤维化的预防,主要目的是防治软组织粘连和关节僵硬,应以增加关节活动为主,增强肌力锻炼,同时也可改善局部血液循环,改善关节功能,促进水肿和纤维蛋白的吸收。昏迷、完全卧床患者进行床上被动训练,通过外力进行患者的关节活动,恢复关节活动度,预防关节纤维化;一般患者进行主动训练或辅助训练,使患者主动肌肉收缩,不仅可以改善关节功能,预防纤维化,还能改善神经肌肉功能。运动时需注意控制运动量及运动强度,循序渐进。具体方法两脚在不同的平面上,做旋转动作幅度由小增大;双腿做内外屈伸、内外旋展活动;仰卧位和俯卧位时,做伸腰练习,仰卧时向上挺身,俯卧时抬头弓背,拉伸各关节;在日常生活中,要注意体位变换,如长时间站立时,可改变为坐姿或弯腰休息,从而缓解关节疲劳,增加骨骼、关节和肌肉的耐力和持久性。同时,定期做一些大幅度的运动,循环反复、循序渐进,逐渐增加动作幅度,运用多种类型的活动方式。

综上所述,膝关节纤维化的预防和治疗在骨科康复的多个领域仍然是一个挑战,目前膝关节纤维化的治疗包括但不限于药物治疗、物理治疗以及手术治疗,其预防和治疗在骨科康复的多个领域仍然是一个挑战。关节纤维化的形成限制了关节活动,导致患者活动能力下降,影响患者日常活动。了解关节纤维化的病理生理基础、相关治疗手段有助于这些患者的治疗。目前针对膝关节纤维化的治疗大多疗效不佳,因此要结合患者病情综合采用治疗方式,最大限度恢复关节功能,改善患者日常生活活动能力。未来在膝关节纤维化的治疗的机制方面还需进一步研究。