人工关节磨损颗粒对骨髓间充质干细胞影响的研究现状

王荣 周胜虎 李旭升

人工关节磨损颗粒对骨髓间充质干细胞影响的研究现状

王荣 周胜虎 李旭升

人工关节；间充质干细胞；综述；磨损颗粒

人工关节置换术始于19 世纪［1］，此后伴随着人工关节设计的不断改进和手术操作的日益规范，发展至今，人工关节置换术治疗各种骨关节病的疗效已经得到肯定［2-3］。然而随着假体植入时间的延长，假体无菌性松动成为影响手术远期疗效的主要原因［4-5］，而人工关节磨损颗粒诱导的假体周围骨溶解是导致假体无菌性松动的最重要原因［6］。在对其机制的研究上，人们针对磨损颗粒对破骨细胞、成骨细胞的影响进行了大量体外与体内研究［7］。但后来的人体及动物研究发现，磨损颗粒还可以通过界面膜通路迁入骨髓腔，与骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）发生相互作用［8］。BMSCs来源于非造血组织，具有很强的增殖能力和多向分化潜能，是成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞等间充质来源细胞的前体细胞［9］。假体-骨界面的骨长入与长期稳定需要BMSCs 成骨分化的持续表达［10-11］，有学者认为磨损颗粒对BMSCs 的作用，将直接影响假体周围骨再生和重建［12-13］。那么，其是否会影响人工关节的远期疗效？现就人工关节磨损颗粒对 BMSCs 影响问题的研究现状进行综述分析。以期为研究假体无菌性松动的机制提供新的方向，为临床医生防治假体无菌性松动开辟新的思路，同时为假体材料的改良提供参考和依据。

一、趋化、内吞作用

细胞趋化是指细胞沿着外界某一物质的浓度朝向或背离发放源进行运动，是发生后续细胞反应的前提［14］。Fritton 等［15］将 BMSCs 与超高分子量聚乙烯（UHMWPE）颗粒共孵育，采用生物发光成像技术进行观察，发现 BMSCs向 UHMWPE 发生了明显的聚集。Huang 等［16］在他们的基础上进一步研究发现，阻断 BMSCs 表面 CCR1 或 CCR2 受体可使趋化效应消除。Okafor 等［17］通过激光共聚焦扫描显微镜来观察 BMSCs 对钛颗粒的内吞作用，结果发现细胞外颗粒的数量随时间变化减少的同时细胞增殖率、基质黏附率、成骨分化率逐渐降低，而细胞凋亡率增加。当给予松胞素 D 干预后，由于抑制了 BMSCs 对颗粒的内吞作用，上述不良反应减轻。由此推断出磨损颗粒对 BMSCs的不良影响与 BMSCs 对颗粒的内吞作用有密切关系。

二、对黏附、迁移能力的影响

骨生物力学研究表明，骨组织细胞变形黏附能力与细胞的增殖、分化成熟、功能基因表达密切相关［18-19］。吴江等［20-21］将 BMSCs 与不同直径大小的钛颗粒悬液共孵育，经免疫荧光抗体染色结合流式细胞术定量分析表面黏附分子表达的变化情况来判断 BMSCs 黏附能力的变化。结果表明不同直径大小的钛颗粒可不同程度地抑制黏附能力，颗粒越小，抑制作用越明显。侯彦华等［22］使用二氧化钛（TiO2）纳米颗粒处理 BMSCs12 h 和 24 h 后，对黏附蛋白的荧光强度进行了定量分析，结果亦表明 TiO2颗粒可抑制 BMSCs 的黏附能力，且颗粒越小，抑制作用越明显。同时他使用 Transwell 小室侵袭实验和伤口愈合实验（划痕迁移评价）对 BMSCs 迁移能力的变化进行评估，发现 TiO2颗粒的直径越小，细胞数量及迁移能力受到的影响越重。他们的研究结果表明，钛颗粒可影响 BMSCs 的黏附、迁移能力，且这种影响与颗粒直径负相关。

三、细胞毒性及对增殖的影响

Cao 等［23］通过 MTT 比色法测定不同直径、不同浓度、不同作用时间下钛颗粒对 BMSCs 的增殖的影响，结果显示钛颗粒对细胞增殖的影响与颗粒浓度、作用时间正相关，与颗粒直径负相关，直径 0.9 μm 的颗粒影响最为强烈。姜云鹏等［24］通过体外与体内实验研究不同类型磨损颗粒（钛合金 Ti、聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA、UHMWPE、钻铬合金 Co-Cr）对 BMSCs 的影响。细胞毒性实验显示所有的颗粒均有一定的细胞毒性作用。MTT 细胞增殖实验表明低浓度的 Ti、UHMWPE 和 Co-Cr 颗粒对 BMSCs 增殖的抑制并不明显，而高浓度的颗粒则明显抑制细胞的增殖反应，PMMA 颗粒无论在低浓度还是高浓度时都对细胞的增殖无明显抑制作用。Wang 等［25］选用来自全髋置换患者股骨头的 BMSCs 与直径约 0.8～1.0 μm 的纯钛颗粒和氧化锆颗粒进行体外共培养，发现纯钛颗粒可破坏细胞骨架，抑制细胞的增殖和活力，甚至引起细胞凋亡。而氧化锆在相似的条件下对 BMSCs 的增殖影响轻微，且并不诱发凋亡。Meng 等［26］、Haleem-Smith 等［27］的实验同样证实暴露于钛颗粒中的 BMSCs 结构被破坏，增殖能力受到抑制。他们的研究表明磨损颗粒（UHMWPE、Ti、Co-Cr）具备细胞毒性且会对 BMSCs 的增殖造成影响，这种影响与颗粒浓度、作用时间正相关，与颗粒直径负相关。相比而言，PMMA 和氧化锆颗粒的影响则轻微许多。

四、对成骨分化的影响

成熟的成骨细胞会释放碱性磷酸酶、骨钙素及 I 型胶原，并形成钙结节，通过对它们的测定及观察可反映BMSCs 的成骨分化是否受到抑制［28-29］。Wang 等［25］通过测定上述指标进行了钛和氧化锆颗粒对 BMSCs 成骨分化影响的研究。结果表明钛颗粒可显著影响 BMSCs 的成骨分化，但同样直径的氧化锆颗粒对 BMSCs 的成骨分化却并无影响。Schofer 等［30］和 Rakow 等［31］的研究证实钴铬钼合金（Co-Cr-Mo）颗粒对 BMSCs 的成骨分化具有负面作用，且与颗粒浓度正相关。Chiu 等［32］、Ma 等［33］的研究显示PMMA 可抑制 BMSCs 的成骨分化。上述研究表明金属颗粒（Ti、Co-Cr-Mo）和 PMMA 均可抑制 BMSCs 的成骨分化，且这种影响与颗粒浓度正相关，与直径负相关；氧化锆作为一种新型假体材料，不仅具备优秀的耐磨能力［34］，而且其磨损颗粒对 BMSCs 成骨分化的影响也很轻微。

五、对 OPG / RANKL / RANK 系统的影响

骨保护素（OPG）/ 核激活因子受体配体（RANKL）/ 核激活因子受体（RANK）系统因其在破骨细胞分化成熟中的调控作用而成为研究热点［35-36］。RANKL 与破骨细胞前体细胞表面 RANK 结合后，会使其分化为成熟破骨细胞，从而造成骨溶解。OPG 可与 RANKL 竞争性结合 RANK，从而抑制破骨细胞的分化成熟，进而起到骨保护的作用［37-38］。Wang 等［39］使用流式细胞术及 ELISA 实验检测髋关节置换术后假体松动患者 BMSCs 的 OPG 和 RANKL 表达水平，结果显示这些患者拥有很高的 RANKL 表达，而 OPG 表达水平却很低。姜云鹏等［24］发现其实验中的所有颗粒（Ti，PMMA，UHMWPE，Co-Cr）均刺激 BMSCs 表达更高的RANKL 水平，在这些颗粒中，PMMA 颗粒刺激的细胞表达 RANKL 水平最低，提示 PMMA 在 RANKL / RANK 系统介导的骨溶解中的作用可能最小。

六、核因子-κB 诱骗寡核苷酸（NF-κBdecoy ODNs）的作用

Lin 等［8］将核因子-κB 诱骗寡核苷酸转染入 UHMWPE负载的 BMSCs 中，发现它增强了细胞活性和 OPG 的表达。因此，通过核因子-κB 诱骗寡核苷酸转染 BMSCs 可能通过保护 BMSCs 的成骨能力而削弱破骨细胞介导的溶骨效应。

七、二磷酸盐对 BMSCs 的保护作用

Vermes 等［40］进行了钛颗粒负载下二磷酸盐对 BMSCs影响的研究，结果显示二磷酸盐可抑制 BMSCs 释放 IL-6和 TNF-α，部分恢复了成骨细胞碱性磷酸酶、骨钙素及I 型胶原的分泌。von Knoch 等［41］的研究发现，二磷酸盐能刺激 BMSCs 的增殖并启动其向成骨细胞的分化。综合他们的研究成果，二磷酸盐对 BMSCs 的增殖与成骨分化有积极的促进作用。

八、不足与展望

目前研究多通过观察 BMSCs 增殖分化、测定释放的细胞因子及蛋白表达来反映人工关节磨损颗粒对 BMSCs影响，但对释放细胞因子的信号传导途径及影响增殖分化的分子生物学机制鲜有研究且尚无明确的答案［27］。这些因子及途径之间既具有联合的协同作用［42］，又有相互的制约关系［43］，因此，将它们作为全新的研究方向，才能在假体松动机制的研究上实现质的飞跃［44］。

随着更耐磨的假体材料的应用及负重关节面设计的不断发展，磨损颗粒直径大多数在1 μm 以下（主要为金属和陶瓷颗粒），研究结果也发现直径越小的颗粒对 BMSCs的影响越大［45］。因此未来关于磨损颗粒的研究应选用纳米级颗粒［46］。

新型材料拥有更出色的耐磨损性能，但 Rajpura 等［45］对交联聚乙烯的一项研究却发现其诱发的骨溶解的能力强于超高分子量聚乙烯。因此，新的假体虽然更耐磨，但其产生的磨损颗粒是否对细胞有更强的负面作用？尚有待进一步研究证实。

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（本文编辑：李贵存）

Research status of the effects of prosthesis wear particles on bone marrow mesenchymal stem cells

WANG Rong，ZHOU Sheng-hu，LI Xu-sheng.Department of Joint Surgery，Lanzhou General Hospital of Lanzhou Military Area Command，Lanzhou，Gansu，730050，PRC

LI Xu-sheng，Email: lixush1968@sina.com

To review the research status of the effects of joint prosthesis wear particles on bone marrow mesenchymal stem cells（BMSCs）.Joint prosthetic replacement is an effective way to treat osteoarthrosis of advanced stage，which can get rid of arthral pain，eliminate the joint deformities and rebuild the function of activity to boost life quality.Aseptic loosening is the main reason of the failure of arthroplasty.Wear particle induced biological reaction in tissues surrounding the prosthesis is an important factor of osteolysis and aseptic loosening after the arthroplasty.Wear particles move into the bone marrow cavity through the implant-bone interface membrane pathways，and interact with BMSCs.Wear particles affect the bone regeneration and reconstruction around the prosthesis by influencing adhesion and migration，proliferation and osteogenic differentiation and expression of osteoprotegerin（OPG）and receptor activator for nuclear factor-κB ligand（RANKL）of BMSCs.Decoy oligodeoxynucleotides for NF-κB could enhance the activity and OPG expression of BMSCs.Diphosphate could inhibit the release of inflammatory cytokines and promote the proliferation and osteogenic differentiation，playing a positive role in the prevention and treatment of aseptic loosening.

Joint prosthesis；Mesenchymal stem cells；Review；Wear particles

10.3969/j.issn.2095-252X.2016.10.012

R687.4，Q813

730050 甘肃，兰州军区兰州总医院全军骨科中心关节骨病外科通信作者：李旭升，Email: lixush1968@sina.com

（2016-02-27）