关节软骨的修复

软骨的正常形态功能与损伤修复 要研究关节软骨损伤的修复,就应该先了解其的正常结构形态,因为关节软骨修复是通过用各种方法(刺激自体产生新的软骨、自体或异体软骨移植、组织工程等)来修复缺损的软骨,而这些填补缺损的软骨在机体成活后,只有保证其在组成成分和组织形态上与正常关节软骨相似甚至相同,才能确保其具有最好的功能。 关节软骨的组织结构 从整体上看,关节软骨由内向外可分为4层。钙化层位于最内侧,借垂直于关节腔的粗胶原纤维与软骨下骨面紧密连接。其主要作用是抵抗剪力,其组织学现是被胶原纤维包绕的羟基磷灰石晶体。该层的水分含量最少,软骨细胞极少,呈现退变状。辐射层位于钙化层的浅侧,由于其内部的胶原纤维呈辐射状排列而得名。该层的软骨细胞呈卵圆形或短柱状,与关节面垂直。潮线是辐射层与钙化层的分界线。辐射层的浅面是移形层,该层内有两种大小不同的胶原纤维:一种是直径4~10nm的小纤维,另一种是直径10~18nm的大纤维。大纤维呈斜行排列,小纤维随机排列呈晶格状为大纤维提供支持作用。该层的软骨细胞呈圆形或卵圆形,新陈代新活跃。关节软骨的表面是表层,也称切线层。其厚度约为200~600μm。该层内胶原纤维的含量最多。舰员纤维的排列方向与关节面平行,舰员纤维则相互垂直。其直径约为20nm。该层内还可存在有少量的Ⅰ型胶原纤维。由于其下面的基质的流体静力学膨胀作用使得表层常处于绷紧状态。表层的表面是由细胶原纤维构成的厚4~10μm的皮肤样结构。在光镜下表现 为双折射线。由于表层内部胶原纤维结构的存在,使得在电镜下表层的表面呈波浪起伏样。该层的软骨细胞呈梭形,形似纤维细胞,其长轴与软骨表面平行。 软骨细胞 软骨细胞位于软骨基质的软骨陷窝内,约占关节软骨总容积的1%,具有产生和维持细胞外软骨基质的作用。软骨陷窝内由胶原纤维所包绕,充以富含硫酸软骨素和水的蛋白多糖基质。软骨细胞生存在一个相对缺氧的环境中。细胞内有大量的糖原沉积作为能源储备。虽然软骨细胞既可以进行有氧代谢又可以进行无氧代谢,但主要还是以无氧代谢来产生高能磷酸键。 软骨细胞可以根据局部的需求改变其新陈代谢活动。在细胞因子和生长因子调节下,软骨细胞可以精确调节蛋白酶及其抑制因子的含量,诱导基质成分的正常转化。化学信号和机械压力都能促进软骨细胞增加细胞外基质的产生。与细胞外软骨基质质量相比,软骨内软骨细胞的含量相对较少,所以在其维持周围环境的稳定时,每个细胞的新陈代新率相对较高。每个软骨细胞都能合成不同数量种类的基质成分。同时也能以不同的速率降解基质成分,并对细胞外信号做出不同的反应。 在未成熟的关节软骨内,成软骨细胞是主要的细胞类型,广泛地分布在整个软骨内。相对比,在成熟软骨内软骨细胞以2~4个细胞为一群而出现。成软骨细胞合成软骨基质的活动很活跃。它们具有巨大的细胞核和高度发达的合成基质成分所必须的细胞器系统。蛋白多 糖的合成是在核糖体和高尔基体内进行,而胶原分子的装配则主要在粗面内质网内。成软骨细胞的有丝分裂活动很频繁。有丝分裂活动最活跃的部位是软骨表面的下部。但是一旦机体停止了生长发育,在正常情况下软骨细胞不再进行分裂。 在关节软骨的不同层内,软骨细胞的形态和结构各具特点。在表层,软骨细胞呈现出纤维细胞的超微结构。细胞变得扁平,形成与关节面平行的几层细胞。不像关节软骨内其他部位的软骨细胞,表层内的软骨细胞不合成硫酸软骨素样的硫酸化的蛋白多糖。移形层的软骨细胞呈圆形,新陈代新活跃。它们具有很发达的包括线粒体和分泌液泡在内的细胞器系统。辐射层的软骨细胞新陈代新活动较少,它们形成与关节面垂直的短柱状。钙化层的软骨细胞较小,细胞器不发达,呈现出衰老状态。 软骨基质 细胞外基质及软骨基质的主要成分为水、胶原纤维和蛋白多糖等。水是软骨基质中含量最多的成分,约占软骨湿重的60%~80%,含水量可因年龄及软骨细胞所在的部位不同而异。软骨中大部分水分位于基质中,可在软骨细胞和周围营养丰富的滑液之间进行交换,对软骨的新陈代新起着重要的作用。同时大约70%可在软骨内外自由相互流动,由于水占据分子间隙,当软骨组织承受负荷出现压力梯度时,水的自由流动对软骨的变形性能、力学行为控制和关节润滑有着重要的意义。 软骨基质中的胶原主要为Ⅱ型,也有少数其他胶原,如Ⅴ、Ⅵ、 Ⅸ、Ⅹ及Ⅺ型等。浅层的胶原纤维束沿切线方向排列与软骨表面平行,称薄壳结构,此结构既耐磨又能抵抗多种应力破坏,可防止软骨发生拉裂折断。中层胶原较浅层粗,纤维围绕在软骨囊周围保护软骨细胞免受挤压。深层的胶原纤维较粗。软骨的胶原纤维自深向浅呈一特殊的排列方式,成纤维的拱形结构。拱形结构能使纤维更好的承受压力,尤其有利于抵抗压缩力的破坏。 软骨基质中另一主要成分是蛋白多糖。它是一类大分子蛋白多肽,有蛋白多糖亚单位、透明质酸和连接蛋白等组成。其主要成分是酸性糖胺多糖,主干是呈线性长链的透明质酸分子,其上结合了许多蛋白质链,蛋白质链上又结合硫酸软骨素和硫酸角质素,使其呈羽状分支样结构。这种结构可结合大量的水,使蛋白多糖发生膨胀产生膨胀压。因受到胶原纤维网的限制膨胀压不会无限增大,最终与胶原纤维的张力平衡。这种特性使软骨具有良好的抗震性能。正常关节软骨的蛋白多糖不断分解开从软骨中排出,使组织维持正常的生理活动。 软骨基质的主要成分的组成和结构使关节软骨表现出特殊的生物学性质,并与软骨的功能有重要关系。水是软骨中含量最多的成分,可通过液压作用承载负荷,并通过在软骨内外的流动将承受的能量进行弥散。胶原的含量仅次于水,具有良好的抗拉伸作用,并且胶原纤维在基质中有特殊的排列,使关节可以承受不同的应力。但从30岁起,胶原纤维的性能将随年龄的增加而下降。蛋白多糖中粘多糖分子上的氨基葡糖多糖(GAG)也就是硫酸软骨素和硫酸角质素链,带有负电荷。粘多糖体积较大,且与透明质酸相互作用产生高分子聚合 体,因而起着维持软骨基质中粘多糖分子的作用并使其所带的负电荷恒定不丢失。这种与蛋白多糖有关的软骨内恒定负电荷,决定了软骨的理化性质及电动学特性,如渗透压增大、外张力倾向、流动位能电能及电渗透效果等,并与软骨的机械力学特性有直接关系。因此软骨的力学特性与其理化特性有相互依赖作用,对关节软骨的作用有重要意义。 正常情况下软骨的生长方式 1 间质生长:又称软骨内生长,是通过软骨组织内的软骨细胞分裂增殖,并产生基质和纤维,使软骨从内部增大。间质生长主要见于年幼的软骨。 2 外生生长:又称软骨膜下生长,是通过软骨膜内层骨祖细胞的分裂分化,产生软骨细胞,向软骨组织表面添加新的软骨细胞,并产生基质和纤维,使软骨从表面向外扩大。发育中的软骨和成熟的软骨都能以此方式生长。 软骨的损伤修复 修复是指组织中新的细胞核基质取代损害或丢失的细胞和基质。但修复后的组织不能恢复正常关节软骨原有的结构和功能。对于带血管的组织,组织修复最常见的形式是瘢痕组织,它由密集的胶原纤维束和散在的成纤维瞎报组成。瘢痕组织在一段长时间里通过细胞和基质大分子的替换和重组而塑性,并伴有细胞外基质的成分改变。在大部分组织中,Ⅰ型胶原纤维是成熟瘢痕的主要基质大分子。多数情况下,带血管的纤维组织,如肌腱、韧带、关节囊,损伤或丢失后的组 织瘢痕是由新的细胞和基质来填充修复缺损,和原先组织在形态上非常相似,且修复后的组织能恢复正常或近似正常的功能。关节软骨有明显缺损时,其修复反应却不会这么成功。关节软骨损伤后修复能力较差的主要原因在于:1 缺乏血供。由于成年的关节软骨缺乏血管,所以当其被破坏后不能形成纤维蛋白凝块,没有炎性细胞和未分化细胞从血管迁移到软骨损伤部位。2 缺乏未分化细胞。软骨还缺乏能迁移、增殖并参与修复反应的未分化细胞。关节软骨仅有的细胞类型是高度分化的软骨细胞,位于致密的胶原-蛋白多糖基质中。因此软骨仅有的细胞增殖和迁移的能力有限。正常成熟的关节软骨几乎很少有软骨细胞显示有丝分裂活动的迹象。在关节软骨损伤后或骨关节炎中,有一些软骨细胞增殖,但是很有限,也没有证据显示这些细胞能穿过致密的胶原-蛋白多糖基质到达损伤或退变的组织部位。并且软骨细胞增加基质合成的能力也很有限。对于正常成熟软骨,软骨细胞合成的基质大分子足够用来维持基质,但在创伤或骨关节炎时,其基质合成速度虽然增加,但软骨细胞不能合成足够的蛋白多糖或胶原来修复重要的组织缺损。而且其合成的基质大分子会随年龄的增长而改变,其结果是使软骨的修复能力减弱。其他影响成熟软骨细胞修复能力的因素包括:随着年龄的增长软骨细胞数目减少,软骨细胞对促合成代谢的生长因子的反应也减弱,以致降低了软骨自身的修复能力。 当软骨损伤或病变延伸到软骨下区有血供部位,修复组织的细胞可到达损伤部位。但是这些细胞并不能把损伤软骨组织修复成正常关节软骨,因为软骨具有独特的基质大分子框架结构,而且主要由Ⅱ型 胶原纤维、大而结构精巧的蛋白多糖以及软骨特异性的非胶原性蛋白组成。多数损伤修复时,细胞不能产生足量的软骨大分子以建立一个持续而坚强的细胞外基质,它们不能够使细胞形成像正常关节软骨一样的结构。 生长因子和细胞因子与软骨修复 从物理学和生物力学角度看,软骨的正常功能是受细胞外基质结构的完整性制约的,如果基质结构的完整性遭到破坏,软骨就不能维持其正常功能。基质结构的稳定性(完整性)是由软骨细胞对其的合成和降解之间的平衡决定的,如果软骨细胞的合成和降解基质的速率一致,则基质就可保持它的完整性,维持软骨的正常力学特性和功能。而软骨细胞对基质的合成和降解过程又由细胞外两类不同的信使蛋白决定,即生长因子和细胞因子。生长因子如胰岛素样生长因子-1 (IGF-1)和转化生长因子β(TGF-β)等,可以刺激结缔组织(包括骨和软骨)的合成;相反细胞因子却可以刺激软骨基质分子的降解。如果各种生长因子和细胞因子的作用结果出现不平衡或有所改变,那么软骨基质的大分子的合成和降解就会失调。 某些生长因子还可以拮抗细胞因子的促基质分解作用。比如IL-1有阻碍软骨基质中蛋白多糖合成和刺激MMPs分泌的作用,而TGF-β可使软骨细胞上的IL-1的受体敏感性下降,是IL-1对软骨细胞的调控能力减弱,进而抑制IL-1的上述作用。TGF-β还能刺激胶原和蛋白多糖核心蛋白的转移过程,并抑制滑膜成纤维细胞和软骨细胞中MMPs的m-RNA水平,同时诱导结缔组织细胞合成TIMP-1和 PAI-1。IGF-1也能降低IL-1降解软骨的作用,使胶原和蛋白多糖合成增加。在关节炎患者的滑液中还发现了成纤维细胞生长因子(FGF),其虽不能增加氨基糖胺多糖的合成,但它可以刺激软骨细胞的有丝分裂。动物实验已经表明FGF可促进大鼠膝关节软骨的修复。 在软骨修复的整体过程中,多种生长因子和细胞因子可以协同作用促进软骨的修复。如TNF-α何IL-6可协同刺激软骨细胞的增殖, FGF和IGF联合起来也可扩大软骨细胞的增殖。 其它 现在很多软骨修复的方法修复的软骨组织与周围的软骨组织不连接,而且有时可见明显的裂隙。对于肉眼观察无明显裂隙的标本和光镜下显示修复组织与周围软骨边缘连接良好的标本,在偏光显微镜下检查显示修复组织与关节软骨组织间无胶原纤维连接。这可能由于关节软骨细胞外基质的抗粘附性所致。