邵一鳴，張濛，張可方，張新安，連鴻凱

膝骨關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）是一種嚴重影響中老年人生活質(zhì)量的關(guān)節(jié)退行性疾病，終末期KOA是導(dǎo)致老年人殘疾的主要原因之一。根據(jù)最新的中國骨關(guān)節(jié)炎診療指南，人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)已被證明是治療重度KOA 的有效方法，臨床應(yīng)用日益廣泛[1]。據(jù)估計，超過40%的關(guān)節(jié)置換術(shù)和44%的翻修術(shù)是在65 歲以下的患者中完成的[2]。隨著生活水平的日漸提高，對于那些相對年輕且仍從事體力活動的KOA患者，保留膝關(guān)節(jié)的治療需求越來越大，保留膝關(guān)節(jié)的治療方案逐漸成為研究的熱門話題。

在過去的20 多年里，關(guān)節(jié)牽伸術(shù)已經(jīng)成為考慮進行人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的終末期KOA患者的一種保留關(guān)節(jié)的治療方法，并逐漸有望在常規(guī)臨床實踐中實施。關(guān)節(jié)牽伸術(shù)是在一段時期內(nèi)使用一跨越關(guān)節(jié)的外固定器來牽伸關(guān)節(jié)，適當(dāng)分開關(guān)節(jié)間隙使其在關(guān)節(jié)運動時分離關(guān)節(jié)面，達到暫時性解除兩關(guān)節(jié)面力學(xué)接觸的治療方法[3]。關(guān)節(jié)牽伸術(shù)最早應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的治療，后逐漸應(yīng)用于KOA[4,5]。最近的一項關(guān)節(jié)牽伸術(shù)治療KOA作用的系統(tǒng)回顧與定量分析顯示，關(guān)節(jié)牽伸術(shù)后患者的疼痛和活動度均得到顯著改善[2]。盡管其臨床應(yīng)用前景良好，但關(guān)節(jié)牽伸術(shù)引起組織修復(fù)的作用機制在很大程度上是推測得到的。目前，有幾種機制被認為與關(guān)節(jié)牽伸術(shù)所觀察到的臨床療效和結(jié)構(gòu)改變有關(guān)。本文從生物力學(xué)變化、關(guān)節(jié)周圍骨質(zhì)改變、關(guān)節(jié)源性間充質(zhì)干細胞的黏附及關(guān)節(jié)內(nèi)分子環(huán)境的變化等方面對關(guān)節(jié)牽伸術(shù)的治療機制進行系統(tǒng)闡釋。

1 關(guān)節(jié)牽伸術(shù)的治療方法

常規(guī)麻醉后，在股骨遠端和脛骨近端分別置入4枚6 mm 半螺紋螺釘（Stryker，美國），膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)各2 枚（螺釘置入的位置應(yīng)避免離膝關(guān)節(jié)過近，以免影響后期行人工關(guān)節(jié)假體置換術(shù)）；接著將兩個內(nèi)部帶有螺旋彈簧的單管（Monotube?TriaxTM，Stryker，美國）平行固定在膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)的螺釘上連接膝關(guān)節(jié)，通過延長單管分離關(guān)節(jié)面（圖1）；術(shù)中將膝關(guān)節(jié)分離2 mm，在隨后的3 d 內(nèi)每天延長1 mm，直至5 mm 的牽伸距離[6-10]。治療期間鼓勵患者患肢完全負重，6周后去除外固定架及螺釘[6,8,10]。

2 機械力學(xué)和流體力學(xué)

關(guān)節(jié)的生物力學(xué)（即機械負荷）在KOA的發(fā)生發(fā)展過程中起到重要作用[11]。在KOA 發(fā)病過程中，其關(guān)節(jié)力學(xué)性能在宏觀和微觀水平上都受到嚴重干擾。尤其是在終末期KOA 中，骨和軟骨的超載負荷是導(dǎo)致關(guān)節(jié)進行性退化的持續(xù)刺激因素。不同的負荷條件對軟骨細胞的功能產(chǎn)生不同的影響：靜態(tài)負荷會抑制軟骨代謝活性[12,13]，生理水平的動態(tài)負荷可誘導(dǎo)合成代謝或抗炎反應(yīng)[14-16]，而超生理水平的動態(tài)負荷和損傷性負荷可誘導(dǎo)分解代謝或促炎反應(yīng)[17-19]。在日?；顒又?，關(guān)節(jié)軟骨經(jīng)歷了多次相對高負荷的循環(huán)，例如膝關(guān)節(jié)在水平行走和上下樓梯等活動中所承受的平均峰值合力是體重的2～3 倍[20]。此外，來自動物模型的數(shù)學(xué)建模和實驗研究證實了剪切力是改變軟骨代謝導(dǎo)致軟骨破壞的關(guān)鍵因素[21]。因此，創(chuàng)造良好的力學(xué)環(huán)境是進行組織修復(fù)的先決條件，而分離關(guān)節(jié)是實現(xiàn)這種有利環(huán)境的合理方法。

2.1 機械力學(xué)

關(guān)節(jié)牽伸術(shù)通過機械分離達到暫時解除關(guān)節(jié)面的力學(xué)接觸，減少了骨和軟骨間的機械負荷（壓力和剪切力）。尚無研究證實達到最佳治療效果的牽引距離和牽引時間。多數(shù)膝關(guān)節(jié)牽伸術(shù)的臨床研究都使用5 mm 的固定牽伸距離牽伸6 周[8,10,22]，但沒有一項研究為其選擇該分離距離或持續(xù)時間提供充分的理由。值得注意的是，關(guān)節(jié)牽伸裝置中的外固定方法不同于完全固定（如石膏固定）的情況。由于在治療過程中允許患肢完全負重，且外固定架具有一定的彈性作用，導(dǎo)致了關(guān)節(jié)面并不是一直處于完全分離的狀態(tài)。先前一項關(guān)于踝關(guān)節(jié)牽伸術(shù)的研究表明，在70 kg體重負荷下保持5 mm的牽伸距離，患者在行走時關(guān)節(jié)面之間存在接觸[23]。一般認為，關(guān)節(jié)軟骨在沒有受到機械磨損時有利于組織修復(fù)。但是由于軟骨細胞對機械刺激的敏感性，一定的機械刺激可以促進軟骨細胞的生物合成和代謝[17,24]。這意味著如果關(guān)節(jié)面自始至終完全分離，沒有任何機械刺激的軟骨細胞可能會適得其反。而這只是基于現(xiàn)有研究的推測，目前尚無充分證據(jù)表明在關(guān)節(jié)牽伸過程中軟骨表面的接觸程度（接觸的大小和頻率）可以促進軟骨組織修復(fù)。

2.2 流體力學(xué)

在關(guān)節(jié)牽伸過程中，患肢的完全負重不僅會導(dǎo)致軟骨表面之間的部分接觸，而且還會導(dǎo)致關(guān)節(jié)內(nèi)流體壓力的變化。體外研究表明，適當(dāng)?shù)牧黧w壓力水平可以刺激KOA 軟骨蛋白多糖的合成、促進軟骨修復(fù)[25]。流體壓力的變化還會導(dǎo)致KOA滑膜細胞的炎癥活動減弱，如白細胞介素1（interleukin 1，IL-1）和腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）的產(chǎn)生減少[26]。這些為我們指明了方向，以后還需要更多的研究來確定關(guān)節(jié)牽伸術(shù)治療KOA過程中的機械力學(xué)和流體力學(xué)。

3 關(guān)節(jié)周圍的骨質(zhì)改變

在關(guān)節(jié)牽伸過程中，關(guān)節(jié)周圍骨質(zhì)的變化被認為是有利于軟骨修復(fù)的另一個重要因素。一方面，由于在關(guān)節(jié)牽伸過程中牽引器分擔(dān)了關(guān)節(jié)的機械負荷，引起骨骼的直接應(yīng)力減少繼而導(dǎo)致周圍骨丟失；另一方面，機械力減少破壞了局部骨礦物質(zhì)穩(wěn)態(tài)，造成骨形成減少[27,28]?？墒茄芯堪l(fā)現(xiàn)，在治療的起始過程中周圍骨量減少，在治療之后卻又逐漸恢復(fù)正常。研究人員開展了對晚期創(chuàng)傷后踝骨關(guān)節(jié)炎患者實施關(guān)節(jié)牽伸術(shù)治療的研究，分析軟骨下骨密度的變化并進行為期2年的隨訪[29,30]。結(jié)果顯示在行關(guān)節(jié)牽伸術(shù)治療后關(guān)節(jié)周圍的相對高密度區(qū)（軟骨下硬化區(qū)）骨密度下降，但相對低密度區(qū)（囊性病變區(qū)）的骨密度增加，表明骨密度總體正?；Ｔ谙リP(guān)節(jié)牽伸治療中也有類似的研究結(jié)果[31,32]。這種囊性病變區(qū)域骨密度的增加可能與關(guān)節(jié)牽伸引起的力學(xué)改變有關(guān)。骨關(guān)節(jié)炎中經(jīng)常會形成軟骨下骨囊腫，囊腫形成后周圍區(qū)域的骨密度降低，這可能會使關(guān)節(jié)處的機械刺激更容易到達囊性區(qū)域并誘導(dǎo)骨形成[33,34]。這種局部的骨丟失和骨形成導(dǎo)致的骨轉(zhuǎn)換對于囊性區(qū)域的修復(fù)是至關(guān)重要的。

上述臨床報道提示，在關(guān)節(jié)牽伸術(shù)后囊腫的消退和臨床癥狀的改善之間有較強的相關(guān)性[29]。KOA患者在關(guān)節(jié)負重期間軟骨和軟骨下骨的水傳導(dǎo)性高于健康人，進一步引起的液體滲出增加、液體減壓增加及軟骨組織應(yīng)變增加都可導(dǎo)致軟骨細胞死亡和軟骨損傷[35]。當(dāng)軟骨損傷后，軟骨的壓縮使液體通過受損的軟骨下板進入微骨折的軟骨下骨，軟骨下骨內(nèi)液體流動和壓力增加引起囊腫性關(guān)節(jié)痛[34,36]。所以當(dāng)囊性區(qū)域減少時，軟骨下骨不會受到液體流動和壓力增加的影響，從而減輕關(guān)節(jié)疼痛。這為膝關(guān)節(jié)牽伸術(shù)能夠減輕疼痛癥狀提供了合理的解釋。

此外，一項在犬KOA 模型中的研究進一步支持了骨質(zhì)改變參與關(guān)節(jié)牽伸術(shù)誘導(dǎo)的軟骨修復(fù)過程[37]。在這項研究中，實驗組A 組行關(guān)節(jié)牽伸術(shù)，B組安裝外固定架但不行牽伸術(shù)。結(jié)果表明，盡管B組產(chǎn)生的治療效果不如A組，可在B組中同樣產(chǎn)生了骨轉(zhuǎn)換變化并有益于軟骨修復(fù)（較高的蛋白多糖含量及較少的膠原蛋白損傷）。這與之前的結(jié)論遙相呼應(yīng)，即外固定架分擔(dān)了關(guān)節(jié)的機械負荷，引起骨骼的直接應(yīng)力減少導(dǎo)致周圍骨質(zhì)改變。以上證據(jù)均表明，軟骨的力學(xué)變化和骨轉(zhuǎn)換的變化需要共同發(fā)揮作用才能獲得所觀察到的臨床效果。

4 間充質(zhì)干細胞和關(guān)節(jié)內(nèi)的分子環(huán)境變化

4.1 間充質(zhì)干細胞與軟骨之間的黏附

在膝關(guān)節(jié)牽伸術(shù)中還有一個值得關(guān)注的結(jié)果就是通過MRI 所觀察到的關(guān)節(jié)軟骨面積顯著減少，減少的區(qū)域被信號強度與原始軟骨相似的組織填充[8,9,31]。這種現(xiàn)象不僅歸因于軟骨細胞所合成細胞外基質(zhì)的增加，間充質(zhì)干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）對其修復(fù)活動也起著重要作用[38-40]。MSCs 存在于不同的關(guān)節(jié)組織中，如滑膜、軟骨和滑液[38]。MSCs 在膝關(guān)節(jié)牽伸術(shù)中的確切作用尚不清楚，MSCs 可能會刺激原有軟骨細胞的新陳代謝，或者自身分化為軟骨細胞。在體外人類軟骨模型中，研究發(fā)現(xiàn)KOA滑液中純化的高分子量透明質(zhì)酸可抑制滑液來源性MSCs（synovial fluid-derived MSCs，SF-MSCs）與軟骨的黏附[41]。用透明質(zhì)酸酶對SF-MSCs進行處理后，SF-MSCs 與軟骨之間的黏附顯著增加。此后在構(gòu)建的犬膝關(guān)節(jié)牽伸模型中，MSCs能夠有效附著在受損的軟骨上，這表明關(guān)節(jié)牽引術(shù)為MSCs提供了有利的生化環(huán)境。因此，關(guān)節(jié)牽伸術(shù)似乎挽救了SF-MSCs 黏附受損組織的能力，這被認為是MSCs在軟骨定植、分化和修復(fù)作用中的關(guān)鍵。

4.2 間充質(zhì)干細胞的轉(zhuǎn)錄變化

目前，軟骨下骨來源性MSCs（subchondral bonederived MSCs，SB-MSCs）和SF-MSCs 都已被認為是軟骨結(jié)構(gòu)修復(fù)的潛在貢獻者[42]。從KOA患者滑液中分離到的MSCs的基因表達分析表明，SF-MSCs所表達的骨化基因和營養(yǎng)不良基因表達水平分別低于SB-MSCs，如骨涎蛋白（bone sialoprotein，IBSP），甲狀旁腺激素1 受體（parathyroid hormone 1 receptor，PTH1R）和矮小相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（runt-related transcription factor，RUNX2）[42]。這意味著SF-MSCs較SB-MSCs具有更強的軟骨修復(fù)能力，而膝關(guān)節(jié)牽伸術(shù)能夠使SFMSCs集落的大小和密度持續(xù)顯著增加。此外，在行關(guān)節(jié)牽伸術(shù)治療的第3周和第6周，關(guān)鍵的軟骨核心蛋白軟骨蛋白聚糖（aggrecan，ACAN）的表達增加，而C-C 基序趨化因子配體2（C-C motif chemokine ligand 2，CCL2）的表達降低；關(guān)節(jié)牽伸治療的前3周，MSCs 軟骨形成標志物gremlin 1（GREM1）和生長分化因子5（growth differentiation factor 5，GDF5）顯著增加。這些結(jié)果均表明，關(guān)節(jié)牽伸術(shù)會導(dǎo)致SF-MSCs 的轉(zhuǎn)錄變化，這可能在軟骨修復(fù)中起重要作用。

4.3 關(guān)節(jié)滑液中的分子環(huán)境變化

除骨髓間充質(zhì)干細胞的變化外，關(guān)節(jié)牽伸術(shù)還可誘導(dǎo)滑液中的分子變化。在一項研究中，對20 例接受關(guān)節(jié)牽伸術(shù)治療的KOA 患者的滑液在治療起始、中點（3 周）和終點（6 周）進行采樣，檢測10 個預(yù)定義的機械敏感分子[6]。治療前后10 項指標中有6項有統(tǒng)計學(xué)意義：多數(shù)患者激活素A（activin A）水平降至正常范圍，而轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）、單核細胞趨化蛋白1（monocyte chemoattractant protein 1，MCP1）、白細胞介素6（interleukin-6，IL-6）、成纖維細胞生長因子2（fibroblast growth factor 2，F(xiàn)GF2）和潛伏轉(zhuǎn)化生長因子-β結(jié)合蛋白2（latent-transforming growth factor-betabinding protein 2，LTBP2）水平在大多數(shù)患者中升高，與治療前比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。KOOS評分顯示，關(guān)節(jié)牽伸術(shù)后所有患者膝關(guān)節(jié)功能均得到明顯改善。這表明在關(guān)節(jié)牽伸術(shù)后關(guān)節(jié)滑液中觀察到的分子變化可能與軟骨修復(fù)活動相關(guān)。此外，TGF-β水平的升高可能與TGF-β受體1（TGF-β receptor type 1，TGFBR1）在治療早期SF-MSCs 中的表達增強有關(guān)[42]，這又進一步證明了SF-MSCs 在關(guān)節(jié)牽伸術(shù)治療階段中的富集。關(guān)節(jié)牽伸術(shù)后關(guān)節(jié)液中所觀察到的分子變化為該治療引起的臨床和結(jié)構(gòu)變化的潛在機制提供了更多線索，但為了進一步擴大和評估迄今為止發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，還需要進行更大規(guī)模的臨床研究并將重點放在更多的標志物和轉(zhuǎn)錄組上。

5 總結(jié)與展望

近些年來，由于關(guān)節(jié)牽伸術(shù)在臨床實踐中所展現(xiàn)出的滿意療效，諸多學(xué)者致力于研究關(guān)節(jié)牽伸術(shù)中的組織修復(fù)機制并取得了突破性的進展。牽伸導(dǎo)致的機械力學(xué)和流體力學(xué)改變?yōu)榻M織修復(fù)提供了良好的先決條件，關(guān)節(jié)周圍的骨轉(zhuǎn)換變化促進修復(fù)骨和軟骨組織，MSCs又通過多種細胞因子和標志物進一步參與軟骨的分化修復(fù)。雖然越來越多的證據(jù)表明關(guān)節(jié)牽伸術(shù)可以改善KOA 患者的臨床癥狀，并能逆轉(zhuǎn)其組織退化過程，但還有許多問題需要更深一步去研究和闡明。例如在牽伸過程中優(yōu)化生物力學(xué)條件是否可以治愈KOA，而不僅是提供暫時的癥狀緩解；在何種關(guān)節(jié)環(huán)境下才能有效刺激MSCs提供足夠的修復(fù)活動；軟骨祖細胞是否在牽伸過程中被激活并參與軟骨修復(fù)等。因此，還應(yīng)通過使用更先進的技術(shù)和更新穎的方案去探索其他有利于組織修復(fù)的條件和生物標志物，進一步研究關(guān)節(jié)牽伸術(shù)的作用機制，為患者提供更有針對性的治療方案。

【利益沖突】所有作者均聲明不存在利益沖突