创伤后肘关节外源性挛缩机制研究进展

余宝富，陆骅(上海交通大学医学院附属新华医院，上海200092)



创伤后肘关节外源性挛缩机制研究进展

余宝富，陆骅(上海交通大学医学院附属新华医院，上海200092)

摘要：肘关节囊的挛缩是导致肘关节外源性挛缩的主要因素。肌成纤维细胞的介导在肘关节囊挛缩中起着关键性作用，转移生长因子β1可促进成纤维细胞分化为肌成纤维细胞，并且抑制肌成纤维细胞的凋亡；肿瘤坏死因子α在体外低剂量时可以促进肌成纤维细胞的活化及增殖；肌成纤维细胞-肥大细胞-神经肽纤维化轴在肘关节的外源性挛缩中具有重要作用。女性性激素、成纤维细胞生长的细胞外基质的机械作用及人类基因易感性也影响创伤后肘关节外源性挛缩的程度。

关键词：肘关节；外源性挛缩；肌成纤维细胞；性激素；机械作用；基因易感性

肘关节挛缩是肘部创伤后的一种常见并发症[1]，根据创伤后肘关节挛缩的原因可分为外源性、内源性以及混合性三类。其中典型的外源性挛缩主要是指累及肘关节周围软组织结构，包括关节周围的关节囊、韧带及肌肉等一系列病理改变。研究[2]表明，软组织的挛缩是引起肘关节挛缩的主要因素。Trudel等[3]认为关节囊挛缩可能是关节挛缩的主要因素。创伤后挛缩的肘关节的关节囊由于胶原蛋白结构紊乱及成纤维细胞的渗出而实质性增厚[4]。近年来，创伤后肘关节外源性挛缩机制的研究较多，现作一综述。

1肌成纤维细胞在关节囊纤维化中的关键性介导作用

Hildebrand等[5]运用免疫组化技术，比较创伤后肘关节外源性挛缩行关节松解术患者和器官捐赠者(无挛缩)关节囊中的肌成纤维细胞数目，发现前者关节囊中肌成纤维细胞的绝对值及比例均有显著上升。肌成纤维细胞在创伤后肘关节外源性挛缩的发生、发展中可能起着重要的作用。肌成纤维细胞是一种组织成纤维细胞，可以在胞内表达α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)，α-SMA可通过细胞膜上的整合素作用于细胞外基质，从而影响细胞外基质的构成[6]。α-SMA的高水平表达可增强细胞株胶原的收缩力量。肌成纤维细胞不仅在纤维化的肌肉骨骼(如粘连性关节囊炎和掌腱膜挛缩等)中数目上升[7]，而且在肝脏、肺脏、角膜及心包的纤维化过程中数目也上升[8,9]。创伤后肘关节外源性挛缩后，肌成纤维细胞的数量在整个关节囊中都是增多的，但在关节囊的各个部位有区域性不同，比如前囊中数目的增加程度要比后囊大[10]。这与临床观察是一致的，临床创伤性肘关节挛缩的病例中，伸肘功能的丧失往往比屈肘功能的丧失更加常见。Hildebrand等[11]采用新西兰兔创伤后的膝关节模拟人类创伤后肘关节，发现固定2周的膝关节囊中的肌成纤维细胞数目即上升，而膝关节创伤后的慢性阶段的改变与急性阶段类似，提示在临床实践中，关节挛缩的预防措施应尽早实施。Doornberg等[12]发现肌成纤维细胞数量在创伤后5个月以上并不保持上升，5个月以上的创伤后挛缩肘关节中肌成纤维细胞甚至缺如，这与目前其他的研究结果刚好相反。间质干细胞和成纤维细胞分化为肌成纤维细胞受一系列复杂的化学及机械信号调控。在创伤后肘关节外源性挛缩的患者及新西兰兔模型的挛缩关节囊中，转移生长因子β1(TGF-β1)、结缔组织生长因子、α-SMA的表达水平上调，这些因子对肌成纤维细胞的活动具有正性调节作用，在新西兰兔模型中，这些因子的表达水平随着时间延长而下降[13]。机械压力及TGF-β1的活化对于成纤维细胞转化为肌成纤维细胞具有很重要的意义，肌成纤维细胞收缩可以活化细胞外基质中自分泌的TGF-β1，从而连接机械信号与化学信号[14]。自分泌的TGF-β1又可以促进肌成纤维细胞的分化[15]。TGF-β1同时可抑制肌成纤维细胞的凋亡，从而增强纤维化过程。Mattyasovszky等[16]研究了肿瘤坏死因子α(TNF-α)对人类关节囊中肌成纤维细胞的作用，发现TNF-α的作用因剂量不同而异，在低剂量时可以促进肌成纤维细胞的活化及增殖，在高剂量时通过抑制α-SMA及Ⅰ型胶原的表达抑制基质的收缩。

肌成纤维细胞-肥大细胞-神经肽纤维化轴是活化肌成纤维细胞的重要机制。Hildebrand等[11]发现，新西兰兔的创伤后膝关节外源性挛缩的急、慢性阶段及人类创伤后肘关节外源性挛缩的慢性阶段，关节囊中的肌成纤维细胞、肥大细胞、神经肽的含量显著上升，推测在创伤后肘关节的挛缩中存在着肌成纤维细胞-肥大细胞-神经肽纤维化轴。因此，对此轴的干预，如抑制肥大细胞脱颗粒可能对肘关节挛缩的预防有一定的作用。肥大细胞-神经肽纤维化轴在皮肤的愈合中已有所研究报道，肥大细胞能影响伤口的修复，不同组织部位的肥大细胞虽然内容物不一样，但是都可以对神经肽的作用起反应。肥大细胞含有促纤维化颗粒(包括血小板生长因子A、内皮缩血管素1、成纤维细胞生长因子和TGF-β1)，肥大细胞通过脱颗粒，释放上述因子，从而促进肌成纤维细胞的分化及增殖。机体的损伤和疼痛可引起神经末梢释放神经肽P物质及降钙素G相关肽类物质，从而引起肥大细胞脱颗粒。在动物及人类的创伤后挛缩肘关节中，肥大细胞、含神经肽的神经纤维的数目4周内便开始上升，而在慢性阶段仍保持升高的状态[11]。肥大细胞因此连接创伤后的急性炎症期和随后的挛缩期，也因此可能成为创伤后肘关节挛缩的干预靶点。酮替芬是一种肥大细胞脱颗粒抑制剂。Gallant-Behm等[17]设计了约克郡猪及红色杜洛克猪的对比实验，约克郡猪皮肤伤口愈合与人类类似，而红色杜洛克猪则会形成纤维增生、高度挛缩的瘢痕；两组行同样的足够深的切口，均使用酮替芬治疗，结果显示红色杜洛克猪比约克郡猪伤口挛缩程度更加严重，而给予酮替芬治疗可以减轻红色杜洛克猪的一期挛缩，但对于上皮形成以后挛缩的治疗效果则不明显；停药10周后，没有导致过度挛缩的复发，由此推测酮替芬是阻断而不是延迟挛缩的发生；酮替芬同时可以减少红色杜洛克猪的伤口胶原堆积，但对约克郡猪的胶原堆积无明显影响。类似的，在新西兰兔膝关节模型中，酮替芬可以减少肥大细胞及肌成纤维细胞的数量，并且相对可以减少关节42%～52%的挛缩程度。因此，酮替芬可能是人类皮肤损伤后减少伤口挛缩及纤维化的有效措施，并且不影响正常的愈合过程[18]。

2女性激素水平对关节囊纤维化的影响

女性的性激素可作用于细胞外基质及肌成纤维细胞，影响关节囊的纤维化，从而影响创伤后肘关节外源性挛缩的程度。女性的关节高活动量现象相对男性更加普遍，而孕妇的关节松弛度更大[19]。雌激素、孕激素、松弛素受体可存在于女性的前交叉韧带中[20]。前交叉韧带的松弛度和月经周期中的雌激素、孕激素峰有相关关系，因此可通过测定前交叉韧带的松弛度来评估膝关节的松弛及挛缩情况。研究[21]发现排卵期的雌激素、孕激素水平升高与膝关节松弛的增加及挛缩的减少相关，从而推测性激素对肘关节的挛缩影响也是存在的。雌激素可减少胶原的合成及抑制成纤维细胞的增殖，而松弛素可通过减少胶原的产生、抑制细胞增殖、肌成纤维细胞分化而减轻纤维化[22]。在膝关节固定2周的大鼠，怀孕组关节挛缩程度较未怀孕组轻[23]。怀孕与否对韧带松弛及细胞的活化作用还取决于韧带是否有创伤，创伤可以调节结缔组织对性激素的敏感性，在无创伤的兔子膝关节中，怀孕可以增加内侧副韧带的松弛度，而对于创伤的兔子则不能[24]。性激素受体可存在于病态及正常组织的肌成纤维细胞中，雌激素可活化肌成纤维细胞中的雌激素受体β，从而抑制纤维化过程[25]。松弛素可抑制肌成纤维细胞的增殖及下调α-SMA，从而抑制关节囊的挛缩[22]。骨骼肌损伤后，松弛素体内疗法可加强肌肉再生并且减少纤维化。女性激素是否可用于干预创伤后关节挛缩尚需进一步的研究。

3细胞外基质对成纤维细胞分化的影响

成纤维细胞分化为肌成纤维细胞需要适宜的细胞外基质。微环境对于原始干细胞的分化具有重要作用，原始干细胞对于组织的弹性水平较为敏感，它生长在弹性度相当于骨骼、肌肉、脑的基底上，则相应地发展成为成骨的、肌源性的、神经源性的细胞系[26]。类似地，只有生长在坚固胶原中的成纤维细胞，才能在TGF-β1的作用下增殖并分化为肌成纤维细胞[27]。因此细胞外基质的机械因素可以通过影响细胞分化为肌成纤维细胞的过程来影响关节纤维化。但目前相关研究非常少，具体力学作用机制需要进一步的研究。

4基因易感性对创伤后肘关节挛缩程度的影响

同样的肘关节创伤的不同个体可以表现为不同程度的挛缩，因此，肘关节挛缩中可能存在基因易感性机制。Nesterenko等[28]回顾了116例创伤后肘关节挛缩的病例，发现其中的4例患者只有轻微的创伤，却出现了严重的肘关节挛缩，经过多次手术及非手术治疗均未取得良好效果。动物研究也支持了这种预测。来自4系近亲繁殖的40只大鼠，予以膝关节固定，其中两系大鼠的关节挛缩程度明显要比另两系严重，从而支持了可能存在基因易感性影响创伤后肘关节挛缩的程度的观点[29]。

创伤后肘关节外源性挛缩仍是临床中常见的难以预防及治疗的问题，通过对创伤后肘关节外源性挛缩的机制研究，可以指导创伤后肘关节或肘关节松解后的靶向干预，由此预防肘关节挛缩或者复发。目前认为，肌成纤维细胞-肥大细胞-神经肽纤维化轴在创伤后肘关节挛缩的发生发展中起着重要作用，这为目前的预防及以后的分子靶向干预提供了理论指导。神经肽P物质可能为临床干预及挛缩的机制起链接作用。而对个体基因易感性差异的研究可以确定高风险人群，从而制定早期个体化干预措施。肘关节创伤后，促纤维化分子通路短期内即开始上调，因此及时地风险评估及局部、系统干预对创伤后肘关节的挛缩预防尤为重要。

参考文献：

[1] 查晔军,公茂琪,蒋协远.创伤后肘关节僵硬[J].中华创伤杂志，2013,29(5):474-476.

[2] Charalambous CP, Morrey BF. Posttraumatic elbow stiffness[J]. J Bone Joint Surg Am, 2012,94(15):1428-1437.

[3] Trudel G, Uhthoff HK. Contractures secondary to immobility: is the restriction articular or muscular? An experimental longitudinal study in the rat knee[J]. Arch Phys Med Rehabil, 2000,81(1):6-13.

[4] Everding NG, Maschke SD, Hoyen HA, et al. Prevention and treatment of elbow stiffness: a 5-year update[J]. J Hand Surg Am, 2013,38(12):2496-2507.

[5] Hildebrand KA, Zhang M, van Snellenberg W, et al. Myofibroblast numbers are elevated in human elbow capsules after trauma[J]. Clin Orthop Relat Res, 2004(419):189-197.

[6] Hinz B. The myofibroblast: paradigm for a mechanically active cell[J]. J Biomech, 2010,43(1):146-155.

[7] Verjee LS, Midwood K, Davidson D, et al. Myofibroblast distribution in Dupuytren′s cords: correlation with digital contracture[J]. J Hand Surg Am, 2009,34(10):1785-1794.

[8] Keeley EC, Mehrad B, Strieter RM. The role of fibrocytes in fibrotic diseases of the lungs and heart[J]. Fibrogenesis Tissue Repair, 2011,4:2.

[9] Saika S, Yamanaka O, Sumioka T, et al. Fibrotic disorders in the eye: targets of gene therapy[J]. Prog Retin Eye Res, 2008,27(2):177-196.

[10] Germscheid NM, Hildebrand KA. Regional variation is present in elbow capsules after injury[J]. Clin Orthop Relat Res, 2006,450:219-224.

[11] Hildebrand KA, Zhang M, Salo PT, et al. Joint capsule mast cells and neuropeptides are increased within four weeks of injury and remain elevated in chronic stages of posttraumatic contractures[J]. J Orthop Res, 2008,26(10):1313-1319.

[12] Doornberg JN, Bosse T, Cohen MS, et al. Temporary presence of myofibroblasts in human elbow capsule after trauma[J]. J Bone Joint Surg Am, 2014,96(5):e36.

[13] Hildebrand KA, Zhang M, Hart DA. Myofibroblast upregulators are elevated in joint capsules in posttraumatic contractures[J]. Clin Orthop Relat Res, 2007,456:85-91.

[14] Wipff PJ, Rifkin DB, Meister JJ, et al. Myofibroblast contraction activates latent TGF-beta1 from the extracellular matrix[J]. J Cell Biol, 2007,179(6):1311-1323.

[15] Popova AP, Bozyk PD, Goldsmith AM, et al. Autocrine production of TGF-beta1 promotes myofibroblastic differentiation of neonatal lung mesenchymal stem cells[J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2010,298(6):L735-743.

[16] Mattyasovszky SG, Hofmann A, Brochhausen C, et al. The effect of the pro-inflammatory cytokine tumor necrosis factor-alpha on human joint capsule myofibroblasts[J]. Arthritis Res Ther, 2010,12(1):R4.

[17] Gallant-Behm CL, Hildebrand KA, Hart DA. The mast cell stabilizer ketotifen prevents development of excessive skin wound contraction and fibrosis in red Duroc pigs[J]. Wound Repair Regen, 2008,16(2):226-233.

[18] Monument MJ, Hart DA, Befus AD, et al. The mast cell stabilizer ketotifen fumarate lessens contracture severity and myofibroblast hyperplasia: a study of a rabbit model of posttraumatic joint contractures[J]. J Bone Joint Surg Am, 2010,92(6):1468-1477.

[19] Marnach ML, Ramin KD, Ramsey PS, et al. Characterization of the relationship between joint laxity and maternal hormones in pregnancy[J]. Obstet Gynecol, 2003,101(2):331-335.

[20] Faryniarz DA, Bhargava M, Lajam C, et al. Quantitation of estrogen receptors and relaxin binding in human anterior cruciate ligament fibroblasts[J]. In Vitro Cell Dev Biol Anim, 2006,42(7):176-181.

[21] Park SK, Stefanyshyn DJ, Loitz-Ramage B, et al. Changing hormone levels during the menstrual cycle affect knee laxity and stiffness in healthy female subjects[J]. Am J Sports Med, 2009,37(3):588-598.

[22] Hewitson TD, Ho WY, Samuel CS. Antifibrotic properties of relaxin: in vivo mechanism of action in experimental renal tubulointerstitial fibrosis[J]. Endocrinology, 2010,151(10):4938-4948.

[23] Ohtera K, Zobitz ME, Luo ZP, et al. Effect of pregnancy on joint contracture in the rat knee[J]. J Appl Physiol (1985), 2002,92(4):1494-1498.

[24] Hart DA, Reno C, Frank CB, et al. Pregnancy affects cellular activity, but not tissue mechanical properties, in the healing rabbit medial collateral ligament[J]. J Orthop Res, 2000,18(3):462-471.

[25] Pedram A, Razandi M, O′Mahony F, et al. Estrogen receptor-beta prevents cardiac fibrosis[J]. Mol Endocrinol, 2010,24(11):2152-2165.

[26] Engler AJ, Sen S, Sweeney HL, et al. Matrix elasticity directs stem cell lineage specification[J]. Cell, 2006,126(4):677-689.

[27] Hinz B. Tissue stiffness, latent TGF-beta1 activation, and mechanical signal transduction: implications for the pathogenesis and treatment of fibrosis[J]. Curr Rheumatol Rep, 2009,11(2):120-126.

[28] Nesterenko S, Sanchez-Sotelo J, Morrey BF. Refractory elbow arthrofibrosis. A report of four cases[J]. J Bone Joint Surg Am, 2009,91(11):2693-2695.

[29] Laneuville O, Zhou J, Uhthoff HK, et al. Genetic influences on joint contractures secondary to immobilization[J]. Clin Orthop Relat Res, 2007,456:36-41.

(收稿日期：2015-07-08)

中图分类号：R682

文献标志码：A

文章编号：1002-266X(2016)11-0093-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2016.11.037