关节腔内注射制剂增强微骨折治疗软骨缺损研究进展

陈志安,段培押,周田华,王江南,谭洪波,施荣茂

关节软骨损伤是一种常见的临床骨科疾病,影响所有年龄人群。据统计数据显示,术中关节镜检出软骨损伤患病率为61%-63%[1],主要原因是炎症、衰老、氧化应激和创伤等[2]。不规范运动可能进一步增加软骨病变[3],关节软骨由于缺乏血管、神经和淋巴组织,自我愈合的能力有限。当软骨损伤时,会引起关节肿胀和不适,并促进骨关节炎(osteoarthritis,OA)的发展[4]。目前,治疗软骨损伤的技术主要有微骨折(microfracture,MF)、自体骨软骨移植、同种异体骨软骨移植、自体软骨细胞植入和软骨组织工程[5]。迄今为止,MF因相比于其他技术操作简单,花费较低,医源损伤较少等优点已被认为是修复软骨损伤的一线技术[6]。MF目前主要应用于小于4 cm2的髋关节、膝关节、踝关节、肩关节等骨软骨损伤,大量研究证实,MF术后主要产生纤维软骨,其生物力学特征比透明软骨差。有证据表明MF术后5年,大量的纤维软骨被磨损,软骨缺损再次出现,进一步发展为骨关节炎[7]。大量研究发现[1,2],微骨折术后通过药物可以改变关节腔微环境,从而促进透明软骨再生。以下药物有此作用,可为临床提供指导。

1 氯沙坦

氯沙坦是一种批准用于治疗高血压的药物,主要通过肾素-血管紧张素-醛固酮系统((renin-angiotensin-aldosterone system inhibitors,RAAS)发挥作用,RAAS系统是电解质平衡的关键调节因子,也是降压药物的共同靶点。目前已识别的有两种血管紧张素(angiotensin,AT)受体:AT1受体(AT1R)和AT2受体(AT2R)。这两种受体不仅在血管系统中表达,也在软骨组织中表达。最近研究发现,RAAS系统在OA发生发展中的作用,AT1R和AT2R在软骨细胞的肥大中起着重要作用[8]。据报道,骨性关节炎、类风湿性关节炎和创伤后关节骨折患者的软骨细胞均在蛋白水平上表达AT1R、AT2R的mRNA[9]。鉴于软骨细胞中RAAS的证据,用氯沙坦修复软骨提供一种新策略。Kobayashi等[10]在肌肉损伤模型研究中发现,通过口服氯沙坦阻断TGF-β1减少损伤肌肉的纤维化;最近,该研究小组表明,口服氯沙坦通过阻断TGF-β信号通路减少软骨纤维化和增加透明软骨的形成[11]。在此基础上,Logan等[12]通过关节腔注射氯沙坦联合微骨折治疗兔骨软骨缺损中发现,氯沙坦可有效增强微骨折介导的软骨修复,该作用主要通过下调Smad2、Smad7和TAK-1的mRNA的表达促进透明软骨形成,而没有通过阻断TGF-β1的表达,因此,关节腔注射氯沙坦增强微骨折治疗软骨缺损虽然表现出良好的疗效,但具体机制尚不清楚。

2 贝伐珠单抗

关节软骨的损伤伴随着毛细血管、骨赘的形成和关节软骨的钙化。毛细血管的形成导致软骨细胞凋亡,血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)已被证实在人骨关节炎关节的滑膜细胞、巨噬细胞和软骨细胞中表达。VEGF可以影响软骨细胞的增殖、凋亡和代谢,导致金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)的释放,以及降解软骨基质的分解代谢介质。基于这些结果,最近试图阻断VEGF来抗血管生成,以保持软骨的稳定性[13]。Chan等[14]报道,骨形态发生蛋白2(bone morphogenetic protein 2,BMP2)和VEGF抑制剂的共传递可诱导骨骼干细胞在脂肪组织中分化为软骨,同时Murphy等[15]报道,在骨关节炎条件下进行微骨折手术后,BMP2和可溶性VEGF受体的共传递,可成功诱导骨骼干细胞生成软骨。贝伐珠是临床治疗中常用的VEGF抑制剂之一,因此,Utsunomiya等[11]通过微骨折术后在关节腔注射贝伐珠有效,不会对软骨下骨产生影响,但具有抑制软骨下骨中H型血管导致的骨囊肿[16]、并且显著提高了兔模型微骨折术后透明软骨的质量和数量。另外研究表明,贝伐珠单抗的剂量并不影响软骨形成,主要因为贝伐珠单抗与骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells,BMSc)诱导的软骨细胞具有生物相容性,软骨细胞外基质的致密结构可能阻碍贝伐珠单抗的细胞毒性[17]。贝伐珠单抗关节腔注射可显著改善软骨修复,但目前研究表现,关节腔中VEGF表达并未下降[11],猜测阻断血管生成的主要作用是通过影响下游来中和关节间隙释放的VEGF信号传导(血管生成),并不影响VEGF在mRNA水平上的表达,因此,贝伐珠单抗注射关节腔增强微骨折的机制需要进一步研究。

3 透明质酸

透明质酸(hyaluronic Acid,HA)是一种属于糖胺聚糖的多糖,由N-乙酰氨基葡萄糖和D-葡萄糖醛酸组成的双糖单元组成。它是结缔组织、神经组织及上皮细胞的组成部分,也是细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的重要组成部分[18]。它分为高/低分子量HA,其中高分子量HA通过一种被动机制允许组织水化,有助于渗透平衡,并稳定ECM结构。另一方面,HA与不同的受体结合蛋白相互作用,其分子量会影响受体的亲和力或被细胞摄取;高分子量HA由于其润滑特性而抑制血管生成活性并保护关节软骨;低分子量HA具有血管生成活性,可诱导肿瘤进展或呈现促炎活性[19]。微骨折术后应用透明质酸可能有利于诱导关节软骨缺损修复。

4 富血小板血浆(platelet rich plasma,PRP)

PRP是通过全血获得的血小板浓缩物。PRP治疗关节软骨损伤的主要优点是生产简单、安全性高、不良反应最小、无异物排斥反应。其血小板浓度高于正常全血并含有多种生长因子,其中包括:血小板源性生长因子、转化生长因子、血管内皮生长因子、成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子、肝细胞生长因子、结缔组织生长因子、表皮生长因子。PRP可以减少炎症,改善血管生成,促进增殖和通过分泌大量细胞因子、趋化因子和生长因子,从而促进骨骼和软骨损伤的愈合, 已广泛应用于骨科损伤相关疾病[20]。Riewruja等[21]发现,体外PRP中的细胞因子水平明显高于贫血小板血浆(platelet poor plasma,PPP)。除了这些细胞因子、生长因子外,血小板还可以分泌外泌体,这些外泌体与体内外泌体相比有类似的作用,PRP外泌体对膝关节软骨依然有保护作用[22]。Yang等[23]在新西兰大白兔双膝内侧髁上制备全层软骨缺损,利用微骨折术后注射不同剂量的PRP,发现连续的PRP注射比单次注射没有明显的优势。Yasui等[24]在临床中发现,微骨折术后注射PRP能显著提高软骨损伤的疗效。

5 小分子化合物

岩白菜素(Kartogenin,KGN)是一种小的生物活性分子,它可以促进MSCs的软骨分化,通过结合细丝蛋白A,破坏其与转录因子核心结合因子β亚基(core-binding factor,CBFβ)的相互作用,并通过调节CBFβ-RUNX1转录诱导软骨形成[25]。在人体发育过程中,KGN影响转化生长因子β(transforming growth factor β,TGF-β)信号通路Smad表达改善软骨和滑膜的发育。Hou等[26]认为关节内注射KGN可防止关节软骨变性和异常软骨下骨形成,主要通过在转录后水平下调miR-146a来上调NRF2的蛋白表达来促进了软骨基质的合成,抑制了IL-1β刺激软骨细胞中基质降解酶的表达。基于上述理论,Xu等[27]分别在微骨折术后每周关节内注射M KGN,并与注射二甲亚砜对比,术后4周、12周时,国际软骨修复学会(International Cartilage Repair Society,ICRS)评分和O’Driscoll评分结果显示KGN组最好,说明关节内注射KGN提高了纤维软骨组织的质量。

6 IGF-1

胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor,IGF-1)被认为是关节软骨的主要合成代谢因子,能够刺激蛋白多糖和胶原蛋白的合成[28];同时,IGF-1还可以促进MSCs的增殖和软骨分化,主要通过激活IGF-1受体(IGF-1R)促进MSC软骨细胞分化和软骨细胞增殖。IGF-1R 激活后招募的主要底物是胰岛素受体-底物 (IRS) 家庭成员 IRS-1 和 IRS-2。IRS被磷酸化,下游信号通路被激活,包括磷酸肌醇3激酶(PI3K)级联和细胞外信号调节激酶(ERK)。ERK是丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联反应的成员[29]。IGF-1通过IGF-1酪氨酸激酶受体激活PI3K并激活下游靶激酶Akt,从而激活哺乳动物雷帕霉素靶标(mTOR),mTOR活化可诱导软骨细胞增殖和分化[30]。Zhang等[31]在兔骨软骨缺损模型研究中发现,微骨折联合联合IGF-1疗效优于其他组。

7 rhfGF-18

成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGFs)家族由23个结构相关的多肽组成,它们调节细胞的生长和分化、组织修复和骨骼发育[32]。rhfGF-18是一种众所周知的生长因子,在关节软骨修复过程中发挥合成代谢作用。之前的研究表明,FGF-18信号通过FGF受体促进软骨形成, FGF-18对软骨细胞的合成代谢作用包括刺激细胞增殖,增加基质蛋白多糖和Ⅱ型胶原的沉积[33]。Power等[34]在绵羊软骨缺损模型中,比较微骨折组于微骨折加rhfGF-18注射,发现微骨折联合rhfGF-18在软骨缺损模型中取得良好疗效。

软骨损伤的治疗目前依然是国际难题,关节腔注射制剂可显著提高微骨折治疗疗效,但目前氯沙坦、贝伐珠单抗关节腔内注射需要进行实验验证潜在机制及检测全身药物浓度,进一步验证对全身影响;透明质酸需要再次验证分子量大小对软骨缺损模型的疗效,确定最佳分子量;PRP制剂含有大量生长因子,但不同年龄生长因子含量不尽相同,因此制作一种PRP仿生制剂将有效促进软骨修复;小分子化合物、IGF-1、rhfGF-18注射关节腔联合微骨折,相比对照组虽有统计学差异,但对关节腔整体微环境中信号通路影响甚微。因此,在未来,需要针对关节腔整体微环境进行整体研究,对主要影响通路及因子进行整体仿生制剂来增强微骨折疗效。