软骨损伤修复技术的既往与未来

章亚东

作者单位：100048 北京，解放军总医院第一附属医院骨科

1743 年，Hunter 提出了他的经典论断：“滑膜关节的软骨一旦破坏，就不能再得到修复”[1]。关节软骨缺乏修复能力缘于其无血管、淋巴和神经分布，伤后没有炎症反应和再生现象。虽然损伤累及软骨下骨时也可以产生炎症反应，并出现部分组织修复现象。但新生的软骨组织主要是由 I 型胶原组成的纤维软骨，缺乏透明软骨的生物和机械特性，不能正常发挥关节软骨的作用。

Hunter 的观点历经 200 余年几乎没有任何变化。直到近 30 年，自然科学多个领域的研究成果提供了用新的组织对软骨进行修复的可能。这些领域包括生物力学、分子生物学、组织工程学、基因遗传学等。加之医学界对软骨的病理生理学知识的了解迅速增加，人们开始认识到软骨不是一成不变的组织，而是在不断地重塑和改建之中，从而使学界意识到现在应该可以在软骨修复领域做一些工作[2]。甚至可以说 Hunter 的论断是不完全正确的，特别是在急性软骨损伤方面，对于关节软骨能否修复这个困扰关节外科数百年的问题，现在已经有了肯定的结论[2]。

这一结论的基础是近年来在关节软骨修复领域的一系列研究成果。1993 年，Salter[2]对关节持续被动活动的研究表明，关节表面适当的机械应力，可以促使间充质细胞分化为软骨细胞、并调节软骨细胞的基因表达、促进软骨生长形成关节面。1996 年，Peterson[3]证明了人类软骨移植的安全、有效和可行性。1997 年，Buckwalter[4]证实人造软骨基质和软骨生长因子可以促进新生关节软骨的形成。2001 年，Gouze 等[5]将基因疗法用于关节软骨疾病的治疗，显示其可以抑制关节软骨退变、刺激关节软骨的合成。还有许多研究报道了包括生长因子、基因转染、软骨移植、软骨组织工程在内的软骨修复技术取得了令人鼓舞的成果[2]。这些还不太成熟的工作毫无疑问地显示出关节软骨修复研究的希望。

迄今，已经应用于临床的关节软骨修复方法包括：软骨清创修整 ( debridement )、软骨下骨打磨成形( abrasion arthroplasty )、软骨下骨钻孔或微骨折 ( subchondral drilling or microfracture )、截骨矫正肢体力线( osteotomy )、骨膜和软骨膜移植 ( periosteal and perichondrial graft ) 等，这些技术多数能促进关节表面纤维软骨的形成。

自体软骨移植 ( autologous osteochondral grafting ) 是目前关节透明软骨修复的有效方法之一。研究证实，自体非负重区骨软骨向负重区移植后，其透明软骨能够成活，关节表面的平整和光滑得到了恢复，临床 3～6 年随访优良率为 91%[6]，但供区来源有限是其最大的缺点之一。

异体软骨移植 ( allogenic osteochondral grafting ) 供区来源大大多于自体软骨。目前认为其主要适用于关节软骨缺损较大、较深的情况 ( 一般指直径 ＞ 3 cm、深度 ＞ 1 cm 的关节软骨缺损 )。即对关节损伤后大块的软骨缺损的治疗，推荐应用异体骨软骨移植技术。其突出特点是不会出现供区组织的相应损伤，修复中可以得到与缺损完全相适合的大小与形状[7]。当然，异体骨软骨移植也存在着供应不足、获取后须在短时间内手术、保存时间较短等缺点[8]。另外，异体骨软骨供体还可能有潜在的疾病传播的危险，并有免疫原性等问题[9]。

软骨组织工程 ( cartilage tissue engineering ) 技术是采用体外扩增的种子细胞植入有良好生物相容性且能够在体内逐渐降解吸收的各种支架材料中，并加入能够诱导细胞增殖定向分化的生长因子，使之再生出具有生物功能的软骨组织，最终将此复合的软骨材料植入到损伤部位以达到修复软骨缺损的目的。其研究内容主要包括种子细胞、支架材料和生长因子三大要素。种子细胞是构建组织工程软骨的基础，足够数量和正常功能的种子细胞对此项技术非常重要。适合细胞生长增殖的支架材料也是软骨组织工程必不可少的的关键因素，其作用是作为细胞与组织连接的框架，为软骨细胞的生长提供了适宜的环境。此技术的优点非常明显，种子细胞来源广泛，对供区无损害，软骨组织块可按受区需要任意塑形。至今应用组织工程技术已经成功地制作出与人体透明软骨特性极为类似的软骨组织。并且开始应用于临床，5 年随访优良率 ＞ 90%[7]。Heymer等[7]应用聚乳酸胶原纤维支架复合人骨髓间充质干细胞修复全层软骨缺损，修复术后 3 周即观察到胶原纤维层形成，且纤维层的上 1 / 3 可见细胞分布均匀并明显向软骨细胞分化，其细胞外基质中富含蛋白多糖和 II 型胶原，RT-PCR 分析证实有软骨形成[10]。还有研究认为关节软骨内可能具有内源性干细胞，只要具备适宜软骨生长的环境，无须进行种子细胞移植，即可借助内源性细胞自身修复关节软骨[11]。

理论研究转化到临床实践这一过程都会面临巨大的挑战。尽管目前在组织工程软骨方面取得了一定的进展，但是，具有成熟关节软骨基质、结构和机械性能的工程化关节软骨至今尚未实现[12]。虽然关节软骨的组织工程技术比较其它组织工程研究更接近规模化临床应用[13]，但目前仍有许多难题亟待解决。比如：如何精准调控软骨细胞在体外的生长增殖？如何大量快速地培养出软骨细胞？如何在软骨细胞传代培养过程中维持细胞的活力和表型？如何精确模拟天然软骨的精细微观结构？如何评价新生软骨的生物力学特性是否达到标准？如何真正实现组织工程软骨与周围组织的有机整合？如何克服关节炎等病理创伤对组织工程软骨的退行性影响等[14-15]？显然，这些既是软骨修复领域亟待解决的问题，更是今后的研究方向。

科研工作最重要的是协作与配合。由此关节软骨修复技术研究者需充分发挥组织工程学科的优势，在相关领域临床医生的密切配合下，根据临床应用的特定需求，整合细胞生物学、材料学、新技术准入法规制订部门以及医疗市场监管部门等多学科、多部门的资源，共同推进组织工程软骨真正进入常规化临床应用。

与 Hunter 所在的时代相比，当前已经能更好地对软骨损伤进行诊断和治疗。但是，在这个领域中目前仍存在很多困难，还有很长的路要走。随着关节软骨修复相关学科的发展，特别是组织工程学技术的发展，包括不同种子细胞来源及培养技术的提高以及各种新型支架材料的研制与开发等，相信在不久的将来，关节软骨损伤将会得到更有效的治疗，关节软骨损伤的临床治疗效果将越来越好。