同种异体骨软骨移植治疗关节软骨损伤的现状

张城铭,段王平,马永胜,卫小春

(山西医科大学第二医院骨科,骨与软组织损伤修复山西省重点实验室,山西 太原 030001)

关节软骨是一种特殊的透明软骨组织,由细胞外基质与少量软骨细胞构成,关节软骨损伤在年轻、活跃的人群中非常常见[1]。损伤范围较大、有明显症状的关节软骨损伤影响患者运动和日常生活活动,可致骨关节炎的发病率明显提高,由于关节软骨的再生能力及自我修复能力较差,使关节软骨损伤的自然愈合有限。同种异体骨软骨移植(osteochondral allograft transplantation,OCA)从组织捐赠者获得整块软骨和软骨下骨来精确修补受损的关节软骨,是一种针对局限性大块关节软骨损伤的有效治疗方式。与其他关节软骨损伤修复的手术方式如微创骨髓钻孔技术、自体软骨细胞植入、自体骨软骨移植等[2-3]相比,OCA在中等范围(>2 cm2)及大范围(4～10 cm2)软骨缺损的临床治疗中显示了更好的疗效[4-5],其组织来源较广泛,可根据健康关节软骨的外形、边界自由选择移植物尺寸,移植物存活不受损伤部位微骨折影响[4,6]。此外与其他修复方式相比,接受OCA的患者术后可以更好地恢复活动与负重。这些优势使得OCA在中大型软骨损伤的临床实践中得到广泛的应用,在容易获得新鲜同种异体移植物的地区,OCA已经成为治疗局限性大块关节软骨损伤的有效手段,也成为了有运动需求的年轻患者的首选治疗方式。从20世纪80年代后,OCA逐渐主要针对关节软骨和骨局限性缺损进行治疗并取得了良好的疗效,最终应用于膝关节软骨缺损修复并拓展至髋[7-8]、肩肘[9-13]、足踝[14-15]等关节。已发表的文献报告了5 290例膝关节OCA手术,成功率为83.2%[16]。踝关节OCA为579例,成功率为73.8%;接受肩肘、髋关节OCA的患者有83例,结果也良好[16]。OCA目前已在北美及欧洲地区广泛开展,形成了完整的组织移植体系并进行商业化发展。巴西参考上述体系并对其进行变革,建成了符合其本国特色的OCA组织移植体系,同时进行了大量的OCA移植验证了该体系的有效性。在我国OCA仅有零星的个案报道,距离在软骨损伤治疗中的广泛应用仍有较大差距。

1 OCA的临床应用

1.1 OCA适应证与禁忌证 目前OCA广泛应用于修复因疾病、创伤、肿瘤切除等导致的骨软骨组织缺损。OCA的主要适应证为中大型面积的关节软骨(>2 cm2)损伤,包括创伤性软骨损伤(可并发软骨下骨损伤)、剥脱性骨软骨炎、潜在的软骨下水肿、软骨早期退行性变等[17-19]。OCA也可以用于治疗局灶性骨坏死(如Ficat分期Ⅱ、Ⅲ期的股骨头坏死)、较大面积(5～10 cm2)的股骨髁和股骨后髁损伤[20-21]。针对髌股关节间室缺损,自体软骨细胞植入或其他基于细胞的修复技术或许是最佳选择,但当髌股关节缺损面积>4 cm2或累及软骨下骨时,更宜使用OCA进行治疗[2],同时OCA还可用于挽救髌股关节中自体细胞移植失败后的补救治疗[22-23]。对于因疾病导致广泛的软骨或骨软骨缺损而需要重建髌骨及滑车表面的年轻患者,也可以考虑采用OCA进行初步治疗[24]。在严重的胫骨软骨疾病或其他修复方式失败的情况下,可以考虑整个胫骨关节面的OCA治疗。关节软骨的双极损伤是OCA的适应证之一,但其术后移植物存活率较低,修复效果较差。

OCA的禁忌证包括关节感染、下肢力线异常及关节不稳、晚期骨关节炎、代谢性骨关节炎及不明原因的滑膜炎。下肢力线异常及关节不稳是OCA的禁忌证,在术前或术中需要对力线进行纠正[25]。>50岁的晚期骨关节炎患者使用OCA治疗的手术失败率很高,OCA无法缓解老年骨关节炎患者的膝关节活动度差及疼痛等问题[26]。综上所述,在选择OCA的患者时应仔细询问病史并进行体格检查,筛选与适应证和禁忌证相符的患者进行OCA治疗以获得预期的疗效。

1.2 OCA手术技术 OCA的手术技术包括Plug技术、雪人(Snowman)技术、壳(Sheel)技术、小碎块(Small fragment)技术等,具体手术方式根据骨软骨缺损的大小和位置决定。Plug技术通过测量病变软骨尺寸后钻出固定大小的圆柱形缺损并植入骨软骨移植物。Snowman技术与Plug技术类似,当1个移植物无法填补缺损时,可根据缺损形状先植入第1个合适形状的移植物,再沿着该移植物边缘继续钻出与之相匹配的缺损并植入第2个移植物,使其与第1个移植物边缘重叠形成雪人状。对于病变不规则的大块骨软骨缺损,无法使用Plug技术或Snowman技术进行移植时可采用Shell技术用同样大小及形状的骨软骨移植物修复缺损并使用加压螺钉对移植物进行固定。Small fragment技术主要适用于复杂的创伤后胫骨平台骨软骨缺损并伴有半月板缺陷的病变。

1.3 OCA术后康复 OCA术后应根据损伤区域、病变类型与手术方式设计个体化的康复方案,主要包括限制负重、固定、恢复关节主动和被动活动范围、疼痛管理、控制关节肿胀、恢复本体感觉等。OCA术后康复第一阶段(术后0～6周)的主要康复目标是保护移植物并减少负重。第二阶段(术后6～12周)的目标是让患者恢复关节正常功能并逐渐恢复日常生活。当患者关节逐渐达到完全活动范围并恢复正常步态后就可以进行温和的力量锻炼并逐渐增加强度。康复的最后阶段(术后3个月以上)则需要根据患者需求制定个体化的康复方案,对于一般患者而言,恢复正常工作生活的运动需求即可。对于运动员或有运动需求的患者则需要强化关节周围的肌肉并恢复本体感觉,使关节恢复至专业运动所需要的强度。在保证关节无痛、韧带稳定、力量充分的情况下循序渐进的进行恢复训练以维持移植物的稳定性[27-28]。

1.4 OCA临床评估 OCA术前应全面评估患者的全身情况,应仔细询问患者的病史如关节症状的部位、持续时间和发作方式等,以及膝关节是否存在肿胀、卡压或者伴随的关节不稳定。当出现半月板损伤或韧带不稳定等症状时,应当注意可能伴随出现的软骨损伤。同时应注意患者既往的非手术治疗方式及手术记录以增加软骨损伤的检出率。应进行关节周围肌肉的动态强度评估,并评估关节积液、触诊压痛和关节不稳定,股四头肌等明显的动态力量缺陷需要在手术前进行康复治疗。

膝关节OCA的术前影像学检测包括双侧膝关节前后位负重X线片、膝关节屈曲位X线片、膝关节正侧位X线片和髌股轴位X线片,同时应采用站立位下肢全长X线片来评估下肢力线,当出现下肢力线异常时应在术前或手术中同时解决。应准确预估关节软骨病变的尺寸,从而确保从组织库中选择合适大小的同种异体移植物[27,29-30]。也可使用磁共振成像、计算机断层扫描和骨扫描进行OCA的术前评估。使用磁共振成像可以全面地评估病变关节的情况并测量软骨损伤的尺寸,并评估关节内软组织如韧带、半月板的损伤。需注意通过MRI测量的软骨病变尺寸可能小于实际尺寸[31]。

OCA的术后影像学检查主要通过关节磁共振成像进行评估,评估内容包括移植物信号强度、缺损填充、关节面和软骨下骨评估。良好的移植手术结束时软骨缺损处应具有平滑的关节轮廓,术后3个月内可能出现弥漫性骨髓水肿。随着软骨下骨的逐渐融合,骨髓水肿的高信号会逐渐降低直至最终恢复正常,提示OCA手术成功。当水肿样骨髓高信号持续超过12个月或出现关节面塌陷则预示着OCA手术失败[32]。当出现移植物局部硬化、关节间隙变窄、骨赘形成、软骨下骨囊性变、塌陷或碎裂则说明可能出现移植物退变。

1.5 OCA疗效 现有文献报道中OCA移植物的存活率差异很大,并且与手术适应证高度相关。综合近20年的长期随访结果,移植物的5年存活率为84.5%～100%,10年存活率为71%～89%,15年存活率为74%～76%,15年以上的存活率为66%[33-35]。总体而言选择与适应证相符的患者进行OCA疗效确切,即便在术后移植物失活,关节仍能维持较好的活动度并改善症状。当年轻患者出现关节软骨的双极病变等大面积软骨损伤时,使用OCA进行修复是唯一选择,可以挽救膝关节的功能[36]。OCA应用于剥脱性骨软骨炎及骨坏死的临床疗效也极佳,术后5年随访移植物存活率高达79%～94%[37-38]。针对运动员进行OCA的疗效研究较少且个体差异较大,最近一项针对43例运动员接受新鲜OCA移植治疗的研究显示,88%的运动员可以恢复有限的运动能力,79%的运动员恢复运动的时间为2年,年龄超过25岁以及症状持续超过12个月的患者恢复运动的可能性较小[39]。但OCA应用于晚期骨关节炎及髌股关节损伤的患者时疗效不佳[40]。导致OCA失败的因素主要包括下肢力线异常、移植物应力过载、巨大软骨损伤导致的移植物无法吸收、免疫反应过强等。

2 OCA相关基础研究

2.1 OCA移植物的采集、加工、储存 目前OCA移植物一般的采集流程为:选择15～40岁之间且关节软骨必须非常健康的捐献者,当捐献者死亡后于24 h内在手术室内采集关节软骨及骨组织[28,41]。随后在48 h内在洁净度达到ISO 4级的洁净室内获取新鲜骨软骨组织并进行分区保存。在组织培养液中对组织进行培养并检测组织是否污染及软骨细胞活性,在确定无菌及软骨细胞活性后第3～7天完成适应的软骨位置图表、血清学指标以及初始培养检查[42]。在第8～10天确定与之相配的移植配体并完成确认,在第15～20天完成最终的培养结果,再次确定移植物无菌性后进行运输,在第28天之前完成植入[43-44]。

20世纪80年代Gross等[45-46]发现移植物的长期存活取决于存活的软骨细胞、完整的细胞外基质和宿主骨掺入。目前研究表明软骨细胞活力与移植成功率直接相关[47-48]。一般要求植入时软骨细胞活力至少为70%,移植物的不同储存方法(如冷冻、低温、新鲜)对软骨细胞存活率、免疫原性和移植时间有不同影响,软骨的生物力学和生化成分也会随着储存时间的延长而恶化[49]。目前一般保存方法是将骨软骨移植物置于4 ℃下在含有GlutaMAX和抗生素的无血清Ham-F12培养基中进行保存。

冷冻保存可以降低移植物的免疫原性,但使用新鲜冷冻或冷冻干燥保存后,软骨细胞存活率较低且移植物力学性能变差[50],深低温冷藏法可以维持较低的软骨细胞活性,但经临床应用后发现移植效果较差[51]。使用低温保护剂如二甲基亚砜浸泡软骨组织后进行梯度降温,使用深低温冷藏保存骨软骨组织,可以极大地提高软骨细胞的存活率,并提高移植效果[52-53]。与储存在4 ℃下相比,在常温(37 ℃)储存28 d的新鲜移植物的存活率增加,所有区域的软骨细胞活力也高于低温储存,这表明在生理温度下储存显著提高了OCA组织的活力。Trico等[54]将移植组织从4 ℃改为在常温下保存以更好的保护软骨细胞;同时还将移植物从捐献到移植的时间缩短为15.3 d,可增加移植物中软骨细胞活力并带来更好的组织存活率及远期移植效果。美国密苏里州开发了新的骨软骨移植物保存系统,可以在长时间(约56 d)内保存移植物,使用该系统可提高移植物中软骨细胞活性并保证其生物安全性[55]。随着研究的深入,逐渐更新的移植物保存方法,降低免疫排异反应等手段的引入可以更好地维持移植物的存活,也带来了更好的远期疗效,有可能为OCA体系带来新的变革。

2.2 OCA免疫排异反应 目前OCA失败的因素主要归结于免疫排异反应、骨结合的失败以及软骨细胞的失活等原因[46],但OCA的免疫排异反应主要来自于移植物的骨部分而不是软骨部分。Gross团队的研究表明完整的关节软骨不会引起体液免疫反应,对回收的同种异体移植物的研究也表明,缺乏抗原且致密的细胞外基质可以很好地隐藏软骨细胞,可以防止软骨细胞与淋巴细胞及浆细胞接触,使软骨组织成为了免疫豁免组织[56]。因此患者对骨软骨移植物具有一定的免疫耐受性[57-58],在移植前不需要进行白细胞抗原检测及血型匹配。较大的移植物(>10 cm2)往往会引起更强的免疫排异反应[59],因此需要在进行OCA时选择合适尺寸的移植物并对其进行充分清洗,以减少骨组织的免疫反应,从而增加移植成功率。

2.3 骨软骨移植物的转归 同种异体关节软骨和松质骨可以与宿主周围骨组织融合且可以保证移植软骨的活性,最终形成具有浅层、中层、深层特征的透明软骨[60-62]。Bardos等[63]的研究表明,获取移植物时应尽量在骨部分进行切割时不损害软骨组织的表层,可以更好地使移植物软骨层与周围软骨融合,重建软骨-软骨下骨单元。新鲜骨软骨组织与病变的关节软骨相比降解蛋白多糖的金属蛋白酶水平显著降低,移植新鲜骨软骨组织可以更好地保持关节软骨的质量,同时抑制关节炎,可能有助于改善移植物的预后和存活率[64]。对于失败的OCA进行组织学分析,发现早期失败的移植物主要表现为移植物骨坏死,软骨部分仍然完整且存活;中期失败的移植物为软骨组织蛋白聚糖丢失但软骨细胞仍存活,移植物骨部分出现不完全重塑且出现周围滑膜炎;长期失败的移植物则以骨坏死、纤维软骨和骨赘形成为主要特征[45]。免疫排异反应对移植物的转归影响不大,在保证移植物中软骨细胞活性及软骨基质维持良好的情况下,移植物是否成功融合主要由骨的部分决定。

3 OCA的生物安全性

OCA要求在捐献前需仔细核对供体病史,排除有风湿免疫、肿瘤疾病史及细菌、真菌、病毒感染史的供体,采集及移植骨软骨移植物时需进行所有需要的生物安全检测,包括供体生物安全检测、软骨组织储存及处理过程中的生物安全检测、受体的生物安全监测,完善软骨移植过程中生物安全体系的建设。在采集前对供体进行血常规和C反应蛋白等一系列血清学检测,同时进行细菌、病毒、人畜共患病等病原微生物的检测,确保全部为阴性结果再进行组织采集,检测应尽可能全面,保证移植物来源的生物安全。采集移植物时应尽可能在供体死亡的短时间内且必须在无菌条件下进行,采集过程必须由经过培训的专业人员操作。获取移植物后,需要在7 d内及20 d内完成2次细菌培养并进行无菌性检测,采集后的移植物应尽快消毒并包装,在确定组织的无菌性后完成移植。不同的组织库也拥有不同的检测技术进行安全性检测及细菌培养,保证来源、采集、保存、移植等各个流程中OCA组织的生物安全性,形成完整的生物安全监测体系,使得组织污染成为罕见事件[43,65]。

4 OCA相关共识及学术组织

多项共识的形成为OCA的应用提供了指导并促进OCA在全球广泛开展。2017年在踝关节软骨修复国际共识会议上,由不同国家的专家组成了踝关节软骨修复国际共识小组[66],经过讨论该小组发布了专家共识,推荐在踝关节损伤中使用OCA进行修复,肯定了踝关节OCA的疗效,使用该技术治疗后踝关节疼痛减轻且功能得到明显改善[66]。2018年23名专家成立了OCA软骨修复临床专家焦点小组[67]并召开会议,就OCA应用中的多项问题形成了专家共识,该共识明确了OCA的适应证及禁忌证、手术方式、康复方式等临床问题,并确定了测试软骨细胞活力和代谢活性的标准方法。2020年28名专家就髌股关节损伤的修复手段达成共识[24],尽管该共识并未就OCA或自体软骨细胞移植哪项更适合应用于髌股关节修复达成一致意见,但仍推荐在病变出现骨赘或需要翻修时首选OCA修复。同时该共识还确定了保持软骨细胞活力及维持移植物存活的必要条件,应使用新鲜移植物并避免冷冻储存等注意事项[24]。

5 OCA相关法律、标准、卫生经济学

在北美地区使用新鲜骨软骨组织需要从组织库中购买[43],根据美国联邦法律规定:组织库的收费项目不直接来源于出售组织,而是收取与新鲜组织处理、储存、测试和运输的“相关费用”。1983年在加拿大多伦多[49,68]建立了可用于临床的采集、处理和储存新鲜骨软骨组织的系统,同一时期至20世纪90年代末,美国食品与药品监督管理局制定并监督了OCA组织库的无菌采购和处理指南并进行商业化,由卫生与公众服务部下属的器官募捐及移植网负责日常监管[69]。在美国至今形成了4家商业化的骨软骨组织库[70],其采集和加工标准统一遵循美国组织库协会的规定。不同于北美地区的商业化流程,Trico等[54]在巴西建立了由公共卫生系统管理的5个骨软骨组织库并免费提供新鲜骨软骨组织。1997年在欧盟范围内也形成了骨软骨组织库的通用标准[71],并在意大利、德国、芬兰、丹麦等国相继由医院或研究所建立了组织库,组织捐赠、采集、处理流程和质量评估根据欧盟指令及本国法律进行制定,由实验室内部人员和外部专家进行审核[72-74]。我国OCA在临床应用中只有少数个案报道,移植例数仅占全球的0.32%[16],目前仍未确立可用于OCA移植的骨软骨组织库的管理标准。我国于2023年12月由国务院通过了《人体器官捐献和移植条例》,确立了中国人体器官分配与共享基本原则和核心政策,可在此基础上尽快确立骨软骨组织库的管理标准并依此建立可用于OCA移植的骨软骨组织库,大力推动OCA组织体系的建设并将其应用于关节软骨损伤修复的治疗中。

总体而言,OCA技术正在不断进步并在中长期的随访结果中获得令人鼓舞的成就。通过技术和方法的创新,使患者可以获得更准确、安全和持久的手术修复效果。然而OCA的难度不仅局限于临床应用,更是一个非常复杂的系统工程。需要完备的法律监管、成熟的组织体系,专业的人员架构才能保证OCA移植系统正常运作,进而使整个社会受益。国外从组织捐赠、处理加工、供受体配型、临床实际应用等方面已经形成系统,这套系统也需要根据各个地区的实际情况进行调整来满足当地的实际需求。许多做法和经验可能对我国OCA应用和发展具有借鉴意义,可在借鉴他国经验的基础上构建符合中国特色的OCA移植体系,造福关节软骨损伤的患者。