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骨溶解:关节置换的「隐形杀手」
  • 来源:亚朋生物
  • 发布时间:2017-07-11
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骨溶解是关节置换中长期存在的一个问题,最早由 Charnley 提出。他在观察 Teflon(PTFE)髋臼假体生存寿命表现时发现髋臼假体周围会出现干酪样坏死和无菌窦道形成。而后聚乙烯作为表面耐磨系数较高的一种界面开始取代 Teflon 成为假体置换的一线材料。

 

早期学者在假体置入后发现,假体周围容易出现骨溶解,他们将之归咎为骨水泥反应,因此引入「水泥病」这一概念,但后来非骨水泥型假体的临床应用并没有解决这一问题,经过大量的临床观察发现,可能是颗粒而非骨水泥造成了假体周围的骨溶解,所以又引入了「磨损颗粒病」这一概念。

 

对初次全膝关节置换术(TKA)而言,其失败的最常见原因是无菌性松动,而骨溶解是无菌性松动最突出的生物学表现,骨溶解可能会被视为全膝关节置换术失败的最常见的原因。

 

为进一步阐述骨溶解的原因,来自美国南伊利诺伊大学医学院的 Theodore J. Gilbert 等对此进行了文献回顾,文章近期发表在 JBJS 杂志上。

骨溶解的机制

1. 生物学机制

假体磨损产生的碎片会引发巨噬细胞细胞因子的级联反应,如白细胞介素-1(IL-1β)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α),引起破骨细胞骨吸收,并最终导致骨溶解。Howie 研究显示,磨损颗粒被巨噬细胞吞噬引起不同的反应取决于颗粒的大小,小于 5 mm 的颗粒会引起强烈的单核巨噬细胞反应,而较大颗粒则可能引起巨噬细胞反应。

 

另一个潜在的溶骨性机制是产生胶原酶和前列腺素 E2 的膜的形成。Goldring 曾报道过,全髋关节置换术后,在骨-骨水泥界面将会形成一个产生胶原酶和前列腺素 E2 的滑膜样膜。由于假体周围支持骨的缺失往往导致运动时在骨-假体界面产生异常应力和力的异常分布,可能导致假体周围骨折和植入物过早的失效。

 

2. 机械性过程

 

根据磨损的位置和类型,在人工膝关节内的碎片颗粒可能包括聚乙烯,骨水泥,或金属。常见的磨损碎片的产生位置包括胫骨-股骨关节表面,胫骨植入物的后表面(背面磨损),和植入物-骨界面。虽然磨损可以发生在所有的这些位置,但绝大多数的磨损颗粒是由聚乙烯形成的。

 

聚乙烯衬垫在多种活动下可出现磨损,磨损颗粒粘附与骨表面,可导致骨表面溶解,侵蚀。假体周围组织液高渗状态也会增加周围炎症因子渗出,使得假体颗粒进入关节腔周围,诱导骨细胞死亡,形成骨溶解。

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图 1 膝关节正位片

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图 2 为膝关节侧位片,图 1、2 可以看到胫骨和股骨发生骨溶解 

潜在的危险因素

1. 患者相关危险因素

初次全膝关节置换术(TKA)后磨损颗粒和骨溶解的患者相关危险因素包括患者的年龄和性别。一项研究表明:患者年龄每降低一岁由于磨损所致的假体失效率将会增加 5%。TKA 术后假体的磨损相关失效的风险,男性是女性的 2.8 倍。一项研究表明,小于六十岁的患者比六十岁以上患者活动量增加 30%,男性的活动量比女性增加 28%,这些都会增加假体失效的风险。

2. 假体材料的类型

 

另一个与 TKA 术后发生骨溶解相关的因素是植入胫骨的聚乙烯材料的类型。三种用于全膝关节置换术的假体材料包括:常规(非交联聚乙烯)聚乙烯,超高分子量聚乙烯(UHMWPE),和高度交联聚乙烯(HXLPE)。

 

传统的聚乙烯可以通过加工或压缩成型制造,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是分子量为 2 至 600 万单位的聚乙烯材料,而 HXLPE 是由超高分子量聚乙烯通过 γ 辐射,打破碳氢长链,在非晶相内形成交联。交联赋予聚合物耐磨性的增加,同时也降低其拉伸强度和对疲劳裂纹扩展的抗性。

 

然而,辐射会形成自由基并引发聚合物的降解,这种氧化会导致假体早期的机械性失效,产生聚乙烯磨损颗粒和潜在的骨溶解。当聚乙烯假体在空气中用 γ 辐射消毒时将会产生更多的自由基。因此,现在已经用气态氧化乙烯或在惰性气体中使用 γ 辐射进行消毒,这两种方法都会产生更少的自由基。目前,第二代的 HXLPE 含有维生素 E,这种抗氧化剂将会减少残留的自由基。

 

研究发现与传统的聚乙烯和交联聚乙烯材料相比,膝关节置换术中 HXLPE 的体外磨损率和碎片生产情况更具优势,其磨损率更低。而与这种优势相冲突的是,HXLPE 磨损颗粒被认为更具有生物活性,产生更强烈的 TNF-α反应。另一个材料的选择就是金属假体的类型,一项研究表明钛铝钒比钴铬在释放 IL-1β、TNF-α和 IL-6 方面具有更大的免疫效应。

 

与假体设计相关的背面磨损

 

假体背面的磨损是由于胫骨平台和聚乙烯衬垫之间在生理负荷下的微动。背面磨损也发生在弹性和塑性变形的过程中,往往在薄的聚乙烯假体植入时可以看到,因此建议植入的聚乙烯假体的最小厚度为 8 mm。尽管曾有研究报道,关节表面是聚乙烯碎片的主要来源,但最近的研究表明,假体背面磨损量与关节表面磨损的碎片量相当 ,关节表面的运动减少时,假体背面磨损增加。

 

TKA 术后骨溶解的诊断和监测

 

TKA 术后准确诊断和监测骨溶解的进展至关重要,如果能早期诊断的话,就可以通过 TKA 术后微创翻修解决问题。但由于缺乏疾病早期的症状以及影像学检查的低灵敏度,实现这一目标仍有难度。当发现聚乙烯磨损时,骨溶解可能也已经发生并导致假体松动,目前有四种成像技术用于检查聚乙烯假体的磨损以及骨溶解:X 线、CT、MRI 以及断层合成技术。

 

研究表明,在评价大的溶骨性病变时可选择 CT 和 MRI,这有助于术前 TKA 翻修计划的制定。同时,断层合成技术有作为早期发现小的溶骨性病变的筛查工具的潜力。针对较大的溶骨性病变,X 线的效果不如 CT 和 MRI,但由于其价格便宜,因此更常被作为筛查工具。

 

另一个有助于诊断溶骨性病变的潜在工具是生物标志物,像 CTX-1(I 型胶原羧基末端肽),骨保护素(OPG)、组织蛋白酶 K 等,可以通过评估代谢过程来进行诊断。一个诊断骨溶解的可靠的生物标志物将会提高患者的治疗效果,避免患者直到出现大量骨丢失才会有症状表现的情况发生,但生物标志物与骨溶解的关系还有待进一步研究。

 

骨溶解的治疗

 

1. 手术治疗

 

人工膝关节周围骨溶解的手术治疗往往取决于病灶的大小,现有的关于修复初次 TKA 术后骨溶解的治疗方式包括:金属假体的植入,使用骨移植物以及骨水泥。骨水泥可用于填充小的(≤ 10 mm)孤立的关节面缺损,但由于其聚合过程是放热的,可能会引起周围骨和血管组织的热坏死,导致无菌性松动从而限制了它的应用。

 

金属假体和骨移植物常常会用于直径>10 mm 的骨缺损,对于年轻患者,经常会使用骨移植物治疗以保护骨组织,然而对于年纪较大平时活动不多的患者金属假体往往更合适。最新出现的 3D 打印技术可以作为一种潜在的替代治疗方式,早期的体外实验表明,其有助于改善生物力学和水泥的成骨性能。

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图 3 为骨移植的相关器械和材料

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图 4 为胫骨骨丢失的程度和范围 

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图 5 为填充骨移植物后的胫骨

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图 6 为假体最后的摆放位置

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图 7 为 TKA 翻修术后的前后位 X 线片 

药物治疗

 

目前,美国食品药品监督管理机构并没有专门批准可以用于防止假体周围骨溶解的药物。而一个潜在的可以治疗骨溶解的药物是抗炎剂 N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺的共聚物(HPMA)地塞米松(p-dex)。每个月的注射治疗表明其可以防止磨损导致的骨溶解同时不会发生激素的副作用。

 

总之,虽然改善膝关节假体的材料可以降低骨溶解发生的风险,骨溶解仍然是 TKA 术后失败的主要原因。尽管确切的机制还不清楚,但对主要的炎症因子和一般的生物学过程都进行了相关研究。

 

虽然 CT 和 MRI 并不能早期检测骨溶解,但最近的研究表明,断层合成技术是一种潜在的早期筛查工具,生物标志物和影像学技术的结合将会有助于更早开始溶骨性病变的微创治疗。

 

 

 

来源: Osteolysis Complicating Total Knee Arthroplasty.JBJS Rev. 2016 Jul 5;4(7)

 

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