关节牵伸术治疗膝骨关节炎的作用机制

邵一鸣，张濛，张可方，张新安，连鸿凯

膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是一种严重影响中老年人生活质量的关节退行性疾病，终末期KOA是导致老年人残疾的主要原因之一。根据最新的中国骨关节炎诊疗指南，人工膝关节置换术已被证明是治疗重度KOA 的有效方法，临床应用日益广泛[1]。据估计，超过40%的关节置换术和44%的翻修术是在65 岁以下的患者中完成的[2]。随着生活水平的日渐提高，对于那些相对年轻且仍从事体力活动的KOA患者，保留膝关节的治疗需求越来越大，保留膝关节的治疗方案逐渐成为研究的热门话题。

在过去的20 多年里，关节牵伸术已经成为考虑进行人工膝关节置换术的终末期KOA患者的一种保留关节的治疗方法，并逐渐有望在常规临床实践中实施。关节牵伸术是在一段时期内使用一跨越关节的外固定器来牵伸关节，适当分开关节间隙使其在关节运动时分离关节面，达到暂时性解除两关节面力学接触的治疗方法[3]。关节牵伸术最早应用于髋关节与踝关节的治疗，后逐渐应用于KOA[4,5]。最近的一项关节牵伸术治疗KOA作用的系统回顾与定量分析显示，关节牵伸术后患者的疼痛和活动度均得到显著改善[2]。尽管其临床应用前景良好，但关节牵伸术引起组织修复的作用机制在很大程度上是推测得到的。目前，有几种机制被认为与关节牵伸术所观察到的临床疗效和结构改变有关。本文从生物力学变化、关节周围骨质改变、关节源性间充质干细胞的黏附及关节内分子环境的变化等方面对关节牵伸术的治疗机制进行系统阐释。

1 关节牵伸术的治疗方法

常规麻醉后，在股骨远端和胫骨近端分别置入4枚6 mm 半螺纹螺钉（Stryker，美国），膝关节内外侧各2 枚（螺钉置入的位置应避免离膝关节过近，以免影响后期行人工关节假体置换术）；接着将两个内部带有螺旋弹簧的单管（Monotube®TriaxTM，Stryker，美国）平行固定在膝关节内外侧的螺钉上连接膝关节，通过延长单管分离关节面（图1）；术中将膝关节分离2 mm，在随后的3 d 内每天延长1 mm，直至5 mm 的牵伸距离[6-10]。治疗期间鼓励患者患肢完全负重，6周后去除外固定架及螺钉[6,8,10]。

2 机械力学和流体力学

关节的生物力学（即机械负荷）在KOA的发生发展过程中起到重要作用[11]。在KOA 发病过程中，其关节力学性能在宏观和微观水平上都受到严重干扰。尤其是在终末期KOA 中，骨和软骨的超载负荷是导致关节进行性退化的持续刺激因素。不同的负荷条件对软骨细胞的功能产生不同的影响：静态负荷会抑制软骨代谢活性[12,13]，生理水平的动态负荷可诱导合成代谢或抗炎反应[14-16]，而超生理水平的动态负荷和损伤性负荷可诱导分解代谢或促炎反应[17-19]。在日常活动中，关节软骨经历了多次相对高负荷的循环，例如膝关节在水平行走和上下楼梯等活动中所承受的平均峰值合力是体重的2～3 倍[20]。此外，来自动物模型的数学建模和实验研究证实了剪切力是改变软骨代谢导致软骨破坏的关键因素[21]。因此，创造良好的力学环境是进行组织修复的先决条件，而分离关节是实现这种有利环境的合理方法。

2.1 机械力学

关节牵伸术通过机械分离达到暂时解除关节面的力学接触，减少了骨和软骨间的机械负荷（压力和剪切力）。尚无研究证实达到最佳治疗效果的牵引距离和牵引时间。多数膝关节牵伸术的临床研究都使用5 mm 的固定牵伸距离牵伸6 周[8,10,22]，但没有一项研究为其选择该分离距离或持续时间提供充分的理由。值得注意的是，关节牵伸装置中的外固定方法不同于完全固定（如石膏固定）的情况。由于在治疗过程中允许患肢完全负重，且外固定架具有一定的弹性作用，导致了关节面并不是一直处于完全分离的状态。先前一项关于踝关节牵伸术的研究表明，在70 kg体重负荷下保持5 mm的牵伸距离，患者在行走时关节面之间存在接触[23]。一般认为，关节软骨在没有受到机械磨损时有利于组织修复。但是由于软骨细胞对机械刺激的敏感性，一定的机械刺激可以促进软骨细胞的生物合成和代谢[17,24]。这意味着如果关节面自始至终完全分离，没有任何机械刺激的软骨细胞可能会适得其反。而这只是基于现有研究的推测，目前尚无充分证据表明在关节牵伸过程中软骨表面的接触程度（接触的大小和频率）可以促进软骨组织修复。

2.2 流体力学

在关节牵伸过程中，患肢的完全负重不仅会导致软骨表面之间的部分接触，而且还会导致关节内流体压力的变化。体外研究表明，适当的流体压力水平可以刺激KOA 软骨蛋白多糖的合成、促进软骨修复[25]。流体压力的变化还会导致KOA滑膜细胞的炎症活动减弱，如白细胞介素1（interleukin 1，IL-1）和肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）的产生减少[26]。这些为我们指明了方向，以后还需要更多的研究来确定关节牵伸术治疗KOA过程中的机械力学和流体力学。

3 关节周围的骨质改变

在关节牵伸过程中，关节周围骨质的变化被认为是有利于软骨修复的另一个重要因素。一方面，由于在关节牵伸过程中牵引器分担了关节的机械负荷，引起骨骼的直接应力减少继而导致周围骨丢失；另一方面，机械力减少破坏了局部骨矿物质稳态，造成骨形成减少[27,28]。可是研究发现，在治疗的起始过程中周围骨量减少，在治疗之后却又逐渐恢复正常。研究人员开展了对晚期创伤后踝骨关节炎患者实施关节牵伸术治疗的研究，分析软骨下骨密度的变化并进行为期2年的随访[29,30]。结果显示在行关节牵伸术治疗后关节周围的相对高密度区（软骨下硬化区）骨密度下降，但相对低密度区（囊性病变区）的骨密度增加，表明骨密度总体正常化。在膝关节牵伸治疗中也有类似的研究结果[31,32]。这种囊性病变区域骨密度的增加可能与关节牵伸引起的力学改变有关。骨关节炎中经常会形成软骨下骨囊肿，囊肿形成后周围区域的骨密度降低，这可能会使关节处的机械刺激更容易到达囊性区域并诱导骨形成[33,34]。这种局部的骨丢失和骨形成导致的骨转换对于囊性区域的修复是至关重要的。

上述临床报道提示，在关节牵伸术后囊肿的消退和临床症状的改善之间有较强的相关性[29]。KOA患者在关节负重期间软骨和软骨下骨的水传导性高于健康人，进一步引起的液体渗出增加、液体减压增加及软骨组织应变增加都可导致软骨细胞死亡和软骨损伤[35]。当软骨损伤后，软骨的压缩使液体通过受损的软骨下板进入微骨折的软骨下骨，软骨下骨内液体流动和压力增加引起囊肿性关节痛[34,36]。所以当囊性区域减少时，软骨下骨不会受到液体流动和压力增加的影响，从而减轻关节疼痛。这为膝关节牵伸术能够减轻疼痛症状提供了合理的解释。

此外，一项在犬KOA 模型中的研究进一步支持了骨质改变参与关节牵伸术诱导的软骨修复过程[37]。在这项研究中，实验组A 组行关节牵伸术，B组安装外固定架但不行牵伸术。结果表明，尽管B组产生的治疗效果不如A组，可在B组中同样产生了骨转换变化并有益于软骨修复（较高的蛋白多糖含量及较少的胶原蛋白损伤）。这与之前的结论遥相呼应，即外固定架分担了关节的机械负荷，引起骨骼的直接应力减少导致周围骨质改变。以上证据均表明，软骨的力学变化和骨转换的变化需要共同发挥作用才能获得所观察到的临床效果。

4 间充质干细胞和关节内的分子环境变化

4.1 间充质干细胞与软骨之间的黏附

在膝关节牵伸术中还有一个值得关注的结果就是通过MRI 所观察到的关节软骨面积显著减少，减少的区域被信号强度与原始软骨相似的组织填充[8,9,31]。这种现象不仅归因于软骨细胞所合成细胞外基质的增加，间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）对其修复活动也起着重要作用[38-40]。MSCs 存在于不同的关节组织中，如滑膜、软骨和滑液[38]。MSCs 在膝关节牵伸术中的确切作用尚不清楚，MSCs 可能会刺激原有软骨细胞的新陈代谢，或者自身分化为软骨细胞。在体外人类软骨模型中，研究发现KOA滑液中纯化的高分子量透明质酸可抑制滑液来源性MSCs（synovial fluid-derived MSCs，SF-MSCs）与软骨的黏附[41]。用透明质酸酶对SF-MSCs进行处理后，SF-MSCs 与软骨之间的黏附显著增加。此后在构建的犬膝关节牵伸模型中，MSCs能够有效附着在受损的软骨上，这表明关节牵引术为MSCs提供了有利的生化环境。因此，关节牵伸术似乎挽救了SF-MSCs 黏附受损组织的能力，这被认为是MSCs在软骨定植、分化和修复作用中的关键。

4.2 间充质干细胞的转录变化

目前，软骨下骨来源性MSCs（subchondral bonederived MSCs，SB-MSCs）和SF-MSCs 都已被认为是软骨结构修复的潜在贡献者[42]。从KOA患者滑液中分离到的MSCs的基因表达分析表明，SF-MSCs所表达的骨化基因和营养不良基因表达水平分别低于SB-MSCs，如骨涎蛋白（bone sialoprotein，IBSP），甲状旁腺激素1 受体（parathyroid hormone 1 receptor，PTH1R）和矮小相关转录因子（runt-related transcription factor，RUNX2）[42]。这意味着SF-MSCs较SB-MSCs具有更强的软骨修复能力，而膝关节牵伸术能够使SFMSCs集落的大小和密度持续显著增加。此外，在行关节牵伸术治疗的第3周和第6周，关键的软骨核心蛋白软骨蛋白聚糖（aggrecan，ACAN）的表达增加，而C-C 基序趋化因子配体2（C-C motif chemokine ligand 2，CCL2）的表达降低；关节牵伸治疗的前3周，MSCs 软骨形成标志物gremlin 1（GREM1）和生长分化因子5（growth differentiation factor 5，GDF5）显著增加。这些结果均表明，关节牵伸术会导致SF-MSCs 的转录变化，这可能在软骨修复中起重要作用。

4.3 关节滑液中的分子环境变化

除骨髓间充质干细胞的变化外，关节牵伸术还可诱导滑液中的分子变化。在一项研究中，对20 例接受关节牵伸术治疗的KOA 患者的滑液在治疗起始、中点（3 周）和终点（6 周）进行采样，检测10 个预定义的机械敏感分子[6]。治疗前后10 项指标中有6项有统计学意义：多数患者激活素A（activin A）水平降至正常范围，而转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）、单核细胞趋化蛋白1（monocyte chemoattractant protein 1，MCP1）、白细胞介素6（interleukin-6，IL-6）、成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor 2，FGF2）和潜伏转化生长因子-β结合蛋白2（latent-transforming growth factor-betabinding protein 2，LTBP2）水平在大多数患者中升高，与治疗前比较差异有统计学意义（P＜0.05）。KOOS评分显示，关节牵伸术后所有患者膝关节功能均得到明显改善。这表明在关节牵伸术后关节滑液中观察到的分子变化可能与软骨修复活动相关。此外，TGF-β水平的升高可能与TGF-β受体1（TGF-β receptor type 1，TGFBR1）在治疗早期SF-MSCs 中的表达增强有关[42]，这又进一步证明了SF-MSCs 在关节牵伸术治疗阶段中的富集。关节牵伸术后关节液中所观察到的分子变化为该治疗引起的临床和结构变化的潜在机制提供了更多线索，但为了进一步扩大和评估迄今为止发现的结果，还需要进行更大规模的临床研究并将重点放在更多的标志物和转录组上。

5 总结与展望

近些年来，由于关节牵伸术在临床实践中所展现出的满意疗效，诸多学者致力于研究关节牵伸术中的组织修复机制并取得了突破性的进展。牵伸导致的机械力学和流体力学改变为组织修复提供了良好的先决条件，关节周围的骨转换变化促进修复骨和软骨组织，MSCs又通过多种细胞因子和标志物进一步参与软骨的分化修复。虽然越来越多的证据表明关节牵伸术可以改善KOA 患者的临床症状，并能逆转其组织退化过程，但还有许多问题需要更深一步去研究和阐明。例如在牵伸过程中优化生物力学条件是否可以治愈KOA，而不仅是提供暂时的症状缓解；在何种关节环境下才能有效刺激MSCs提供足够的修复活动；软骨祖细胞是否在牵伸过程中被激活并参与软骨修复等。因此，还应通过使用更先进的技术和更新颖的方案去探索其他有利于组织修复的条件和生物标志物，进一步研究关节牵伸术的作用机制，为患者提供更有针对性的治疗方案。

【利益冲突】所有作者均声明不存在利益冲突