人工关节假体周围无菌性松动的发生机制

张晓非，吕震，王小泉，刘军

关节置换术是目前多种终末期关节疾病最为有效的治疗手段，但有多种原因可导致假体失效，例如感染、松动、假体周围骨折、假体损坏及脱位等，关节翻修手术将使患者承担巨大的经济负担，严重者甚至需行截肢手术。以膝关节为例，综合各国关节登记系统的数据，假体无菌性松动是翻修手术的首要原因，约占全部翻修手术的29.8%；其中第1 个建立人工关节登记系统的瑞典显示该数据为26%，英国国家登记系统为32%［1］。假体无菌性松动主要是由于周围的骨溶解现象，目前尚无有效的保守治疗措施。如何有效控制骨溶解的发生一直是关节外科研究的热点。对于该现象的发生机制，国内外学者提出的理论包括：应力遮挡、磨损微粒反应、内毒素反应、免疫反应、个体基因易感性等。本文对以上各观点的生物学机制进行综述，为后续研究及临床应用提供参考。

1 应力遮挡对骨组织代谢的影响

应力遮挡是指当2种及以上具有不同刚度的材料共同承载外力时，刚度较高的材料承担较多的载荷，而刚度较低的材料则承载较低的载荷。应力遮挡对骨折愈合的影响一直是创伤骨科讨论的热点，近年来其在关节置换领域也愈发重要。成骨细胞和破骨细胞可以通过感受力学刺激对骨的生长和吸收进行调节。只有骨骼载荷在生理载荷范围内，才能刺激成骨细胞发挥功能，促进骨生成；否则均可导致骨代谢的异常。在人工关节置换术后，由于假体材料与骨组织之间的刚度存在差异，假体的弹性模量高于骨骼，在假体与骨骼这个受力整体上，假体会承担大部分应力，因此骨组织承担的应力会有一部分被假体所遮挡，进而造成骨量丢失，当然这也与假体设计、关节发育个体差异以及医师的手术操作情况有关。以膝关节为例，有研究发现股骨远端的应力遮挡来源于髌骨对股骨的压缩及剪切应力，因此骨密度降低常表现在股骨假体前髁后方，而在股骨远端及后髁部位则不明显；且膝关节置换术后由于力线的纠正，胫骨平台内、外侧的应力重新分布，术后随访观察发现应力降低的一侧骨密度降低，而应力升高的一侧骨密度增高［2］。当然目前的假体仍不能避免应力遮挡的影响，但随着假体设计、连接方式以及假体材质的改进，其对骨代谢的影响也会随之改善，另外应力遮挡带来的骨代谢变化是否为导致假体松动的始动原因尚需进一步研究和验证。

2 磨损颗粒对骨组织代谢的影响

磨损颗粒来源于关节活动过程中人工关节各部件、骨、骨水泥三者之间的相互摩擦，主要包括金属微粒、聚乙烯微粒、骨水泥微粒等。磨损颗粒的大小、材质、数目、理化性质等均与骨溶解反应的发生及周围细胞的生物学变化有密切联系［3］，例如直径为0.1～1.0 μm 的微粒最具生物学活性，其被巨噬细胞吞噬后会引发一系列细胞因子的释放［4］。微粒会对人体组织带来很多影响，已有研究证明磨损微粒改变了假体周围生物环境，影响了原有的骨代谢平衡，产生明显骨溶解现象［5-6］。

2.1 磨损颗粒诱发炎症反应刺激破骨细胞分化 磨损颗粒造成的骨溶解现象主要是由于其诱发的炎症反应影响破骨细胞与成骨细胞的代谢。骨组织代谢主要由破骨细胞及成骨细胞来完成，破骨细胞由单核-巨噬细胞系的破骨细胞前体细胞分化而来，而成骨细胞来源于间充质干细胞。正常生理条件下，破骨细胞与成骨细胞的动态平衡维持着骨代谢的稳态。假体周围由于微粒的存在使其平衡被打破，造成骨吸收增加而骨形成降低，这是假体无菌性松动的主要原因［7］。假体周围界膜中有大量含磨损颗粒的巨噬细胞、成纤维细胞等炎症相关细胞，并且肿瘤坏死因子（TNF）-α、白细胞介素（IL）-1β、IL-8、IL-6 等炎性细胞因子数量明显增高，巨噬细胞可在磨损颗粒和细胞因子的刺激下向不同的表型极化，在假体周围主要极化为M1 型，M1 型巨噬细胞作为经典活化的巨噬细胞，其主要作用是促进炎症反应［8］。磨损颗粒作为体内异物，首先被巨噬细胞识别并吞噬，巨噬细胞同时释放多种细胞因子诱导炎症级联反应吸引并募集更多巨噬细胞，如分泌IL、TNF、花生四烯酸代谢产物（PGE）、核因子κB受体活化因子配基（RANKL）、前列腺素等。这些炎性细胞因子会刺激破骨细胞前体细胞向破骨细胞分化［9-10］。

2.1.1 磨损颗粒造成的信号通路变化 破骨细胞分化过程极其复杂，涉及多个信号通路，目前研究较多的是核因子κB 受体活化因子（RANK）-RANKL-骨保护素（OPG）通路。RANK 属于TNF 受体家族Ⅰ型跨膜蛋白，基因定位于染色体18q22.1。RANKL 属于TNF 受体家族Ⅱ型跨膜蛋白，基因定位于染色体13q14。OPG也是TNF超家族成员之一，是一种分泌型糖蛋白，也是RANK 的假性配体。成骨细胞表达RANKL及OPG，破骨细胞及破骨细胞前体细胞表达RANK。RANK与RANKL结合会促进破骨细胞前体细胞向破骨细胞分化以及成熟破骨细胞的活化，同时还能抑制破骨细胞的凋亡。同时OPG 与RANKL存在竞争性结合，可阻断RANKL 与RANK 的结合，同时诱导破骨细胞凋亡，从而防止过度骨吸收［11］。目前研究已证实RANKL 大量存在于含有磨损颗粒的组织中，磨损颗粒会激活核因子（NF）-κB通路，促进假体周围组织中破骨细胞的分化及增殖［12］。

骨代谢异常除了受RANK-RANKL-OPG 通路影响外，还涉及诸多分子与信号通路。Toll 样受体家族（TLRs）是存在于巨噬细胞促炎症反应信号通路中的触发器，TLR-2及TLR-4均可诱导RANKL的表达，促进破骨细胞前体向破骨细胞转化。骨髓分化因子-88（MyD88）作为信号传导蛋白，可与多种Toll 样受体蛋白相互作用激活下游信号通路，增加破骨细胞的生成。MyD88在假体无菌性松动患者中表达明显上调［13］。另外，丝裂原活化蛋白激酶（p38MAPK）通路作为RANK-RANKL-OPG 通路的下游通路，对破骨细胞分化同样具有重要作用。有研究表明TNF-α 可通过激活p38MAPK 通路导致IL-1 表达显著上调，从而促进RANKL 的产生，刺激破骨细胞的生成。体外实验已经证实p38MAPK 通路抑制剂可阻断RANKL 诱导生成破骨细胞［14］。除此以外，磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）、NF-κB等信号通路也均被证实在骨溶解现象中具有重要作用［15］。另有研究表明，磨损颗粒可刺激假体周围界膜中高表达血管内皮生长因子（VEGF）及其受体，VEGF 相关通路主要起到刺激血管新生的作用，但是应用酪氨酸激酶抑制剂干扰VEGF 后，破骨细胞分化被抑制，提示VEGF 相关信号通路与骨代谢关系密切［16］。基质金属蛋白酶家族（MMPs）是一类依赖于锌离子和钙离子的蛋白水解酶，主要由巨噬细胞、中性粒细胞、内皮细胞等产生，其生理作用主要包括降解胶原、细胞外基质、黏蛋白等，各种炎性细胞因子可影响MMPs的表达和激活。除参与炎症反应外，MMPs 还参与诱导破骨细胞的分化成熟，通过实验证实抑制MMP-9基因的表达可阻断细胞外调节蛋白激酶（ERK）相关信号通路，进而抑制破骨细胞的分化，使骨溶解现象得到明显改善［17］。

2.1.2 磨损颗粒对细胞增殖及分化的影响 磨损颗粒同样可通过成骨细胞发挥作用，磨损颗粒可抑制骨连接素、骨钙素等骨生成作用相关分子的表达，且可通过诱导NF-κB活化和IL-6的释放破坏胶原的合成，以及减少成骨细胞基质的产生来抑制成骨细胞的增殖［18-19］。当巨噬细胞被磨损颗粒激活后，可刺激成骨细胞释放巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）和RANKL，两者均是促进破骨细胞分化及成熟的核心细胞因子［20］，可增加下游相关基因的表达，如端粒酶调节相关蛋白（TRAP）、树突状细胞-特异性跨膜蛋白（DC-STAMP）、c-Fos和活化T细胞核因子1（NFATc1）等，促使破骨细胞前体细胞向破骨细胞分化［21-22］。

2.2 磨损颗粒对细胞凋亡的影响 细胞凋亡是通过激活凋亡基因使细胞内部程序性死亡的过程，在假体周围界膜中可发现大量诱导细胞凋亡现象的Caspase 家族及p53 基因等活性片段，证实了假体周围存在活跃的细胞凋亡现象［23］。有研究发现磨损颗粒的大小对假体周围细胞代谢的影响不同，例如纳米级粒子会影响成骨细胞的细胞骨架结构，造成成骨细胞形态发生改变，从而影响成骨细胞的存活及增殖能力［24］。除此以外，在小鼠颅骨的骨溶解模型中发现磨损颗粒可上调成骨细胞中内质网应激蛋白的表达，提高内质网应激反应。有研究证实，内质网应激反应可与多个细胞凋亡通路相偶联，进而抑制成骨细胞的分化、成熟，但应用内质网应激蛋白抑制剂后，成骨细胞凋亡明显减少，骨溶解症状得到明显缓解，初步推论内质网应激介导了成骨细胞的凋亡，在假体周围骨溶解中发挥了一定的作用［25］。虽然磨损颗粒导致凋亡的具体基因表达及信号传导过程尚未明确，但可以认为磨损颗粒通过抑制破骨细胞凋亡同时促进成骨细胞及基质干细胞凋亡，来调节假体周围骨溶解及骨生成过程。

3 内毒素对骨组织代谢的影响

内毒素是细菌碎片产物，最常见的是革兰阴性菌细胞壁中的脂多糖，此外还有革兰阳性菌的磷脂壁酸及肽聚糖等，仅当细菌死亡溶解或用人工方法破坏菌细胞后才释放出来，故被称为内毒素。内毒素并不会造成临床感染征象，其效应类似于假体磨损颗粒，影响假体周围的代谢环境，是无菌性松动不可忽视的原因之一。内毒素可存在于术中、术后以及假体器械消毒等诸多环节，其来源主要包括3种：首先是来源于已被灭菌的内植物及外科手术器械表面残余的细菌碎片；其二是来源于肠道吸收，人体肠道内存在大量革兰阴性细菌，如大肠杆菌，当人体因为创伤、手术等应激引起肠黏膜屏障功能受损时，可导致大量肠道内毒素被吸收入血；第三是来源于体内其他部位的细菌感染，即使是亚临床浓度的细菌携带者，虽然无明显临床症状及阳性实验室检查指标，但极微量的细菌也可在代谢过程中将内毒素释放入血。内毒素的生物学活性非常稳定，在室温保存数月活性可不发生改变，在营养物质缺乏的生理盐水中也能生长，而且常规灭菌法不能有效去除内毒素。在关节置换手术中，内毒素可通过手术器械、植入物、术后血行散播等方式残留在假体周围。人工关节置换后假体松动患者大多无临床感染表现，但通常可在其松动假体标本中检出脂多糖成分。有体外研究发现，去除内毒素后的钛金属磨损颗粒可明显抑制细胞的炎症反应，炎性细胞因子的表达量较未经处理组降低50%～70%，且其对巨噬细胞的刺激作用被显著抑制［26］。TLR4是一类天然免疫受体，是介导内毒素应答的主要受体，广泛分布于宿主防御细胞上，如巨噬细胞、内皮细胞、粒细胞等。有研究表明，内毒素脂多糖侵入人体后首先与血清脂多糖结合蛋白结合，后与细胞表面的CD14 分子结合，激活TLR4-CD14信号传导通路，进一步激活NF-κB和p38MAPK信号通路，从而促进各种炎性因子及趋化因子的表达，调控骨细胞的增殖、分化及凋亡过程［27-28］。内毒素激活效应细胞的过程极其复杂，其具体机制尚未完全明确，但可以确定的是内毒素导致的一系列细胞因子的释放对于骨溶解现象有不可忽视的影响［29］。

4 免疫反应及个体基因差异对骨组织代谢的影响

目前有关淋巴细胞在假体松动现象中的作用尚存争议，有研究发现松动假体周围界膜中T 淋巴细胞的数量较正常组明显升高，并且大部分为CD25活化的T 淋巴细胞［30］。金属离子、聚乙烯磨损微粒甚至骨水泥微粒都有可能作为抗原使人体产生迟发性超敏反应［31］，通过激活辅助T 淋巴细胞释放一系列炎性细胞因子，如IL-2、抗原分化簇40（CD40）、血浆炎性趋化因子（CXCL）9、CXCL10、干扰素γ（IFN-γ）等，导致炎症反应进行性加重，最终造成骨溶解［32］。这种获得性免疫反应在骨溶解中发挥的作用常被低估，或者将其与先天性免疫产生的炎症效应相混淆。由于获得性免疫反应与先天性免疫反应发挥作用的主要细胞因子不同，可通过检测mRNA 来区分两者在骨溶解中发挥的作用。骨溶解过程中免疫应答的产生是由植入物造成的获得性免疫反应还是磨损微粒刺激巨噬细胞产生的先天性免疫反应，仍有待进一步研究证实［33］。另外，有研究表明遗传学因素也可影响假体周围骨溶解，由此可以解释在具备相同高危因素、假体材料及相近个体发育特征的患者中，骨溶解程度却不尽相同［34］。有研究发现，具有高敏感性免疫表型的患者行假体置换术后骨溶解的发生率及严重程度均较高，其原因可能与该人群对炎症刺激的反应是优先表达促炎因子而不是抗炎因子有关，但其具体机制尚不明确［35］。虽然不能排除术者的技术及假体设计的影响，但个体遗传差异与骨溶解现象的关系亦不容忽视。

5 问题与展望

关节置换术后假体周围骨溶解现象的发生机制极其复杂，目前多种相关学说尚处在实验阶段，且未达成共识。另外，对于骨溶解现象尚无有效的生物学检测指标，无法进行早期干预治疗，并且无法有效评估治疗效果，故当患者出现明显松动症状而就诊时，通常已无法保留原假体，只能依靠翻修手术恢复关节功能。对于控制骨溶解现象，首先必须改进假体的材料设计及固定技术，使其提高耐磨性并减少磨损微粒的产生；其次需要完善药物治疗方案，目前药物治疗主要针对抑制骨吸收、促进骨生成和抑制炎症反应，其治疗药物分别为双膦酸盐类药物、骨形态发生蛋白及他汀类药物、TNF-α 拮抗剂及环氧化酶抑制剂。有研究通过从植物中提取千金藤碱等成分来改善骨代谢情况［36］。阐明关节置换术后假体周围骨溶解现象的发生机制，寻找有效的生物标志物及药物治疗靶点仍是关节外科亟待解决的难题之一。