半月板移植研究进展

半月板移植研究进展
[ 08-07-05 10:23:00 ] 编辑：studa20
作者：包呼日查，王刚，谷贵山，胡春明，秦大明，李长胜，徐鹏
【关键词】膝关节
膝关节半月板是膝关节结构和功能的重要部分。

它除吸收震荡、增加关节接触面、润滑关节外，还有着承受载荷及分散负荷、维持关节稳定等功能。

半月板的切除将导致关节不稳和载荷传递紊乱，以至关节骨性关节炎的发生［1］。

半月板破裂明确诊断者，以往主张半月板全切除。

虽然手术后症状消失，但切除了半月板的膝关节很容易产生骨性关节炎。

王骏飞等人［2］研究发现随着半月板切除量的增加，下肢力线改变程度相应增加，从而导致膝关节关节软骨的继发退行性改变。

随着临床实践经验的积累、生物力学和其它基础研究以及对半月板结构和功能认识的深入，目前主张半月板损伤应尽量保留半月板，对已接受半月板切除的患者，则应该设法重建半月板。

目前对半月板的重建方法有：半月板假体、自身组织移植再生半月板、同种异体半月板移植、异种异体半月板移植、组织工程半月板移植等。

本文将对重建半月板问题作一综述。

1 半月板假体
半月板假体的材料有聚四氟乙烯、硅橡胶、炭化纤维、达克龙等。

Messner等人用表面涂以聚氨酯的达克龙(polyurethane coated polyester)和聚四氟乙烯(polyure thane coated，PTFE)及表面未涂聚氨酯的聚四氟乙烯(uncoated PTFE)来代替兔子膝关节内侧半月板，通过3个月的观察发现关节软骨退变和骨赘形成，而且不能维持膝关节的正常力学功能。

随后尝试用聚四氟乙烯树脂和骨膜的复合物代替兔子膝关节内侧半月板，但试验结果复合物被结缔组织包裹，没有纤维软骨细胞形成，而且膝关节发生了骨性关节炎和异物引起的滑膜炎［3,4］。

虽然人工材料易取材，可以避免移植过程中疾病的传播，但是它的生物相容性、柔软性、蠕变性以及生理功能都不如人体自身的半月板等而限制它的临床应用。

Kobayashi等人用高容量的聚乙烯乙醇水凝胶(PVA H)来替代半月板，实验结果令人鼓舞。

在动物实验中，将每只兔子的一侧半月板由人工半月板替换，并将每只兔子另一侧膝关节半月板切除。

经过2年的实验，结果显示，2年后膝关节中移植了PVA H人工半月板的关节软骨状况良好，人工半月板未发生移位、磨损和破裂，而另一侧半月板切除的对照膝关节发生了骨性关节炎的改变［5,6］。

从上述结果可以看出，高容量的PVA H人工半月板可以代偿半月板的功能，并可能用于临床。

虽然近期疗效较好，但是远期疗效未见报道，仍需进一步临床研究。

2 异体半月板移植
异体半月板移植包括同种异体半月板和异种异体半月板移植。

目前动物实验做的比较多而且应用于临床的是同种异体半月板移植。

对异种异体半月板移植的报道在国内外都很少。

2.1 异体半月板的取材、保存
新鲜异体半月板应12 h内获取，如果尸体被冷藏，可以延缓到24 h。

半月板保存方法有多种，目前异体半月板的保存方法主要有以下几种：冷藏保存、低温保存及深低温保存。

有学者认为用这些方法保存的半月板通过移植未发现哪一种方法保存的半月板效果更好，还有待于临床进一步证实。

Verdonk 推介半月板体外培养法，该方法把异体半月板保存在37℃、95％空气、5％CO2的条件下达尔伯克(氏)必需基本培养基(DMEM)中加入20％受者血清的培养基中。

这样可使半月板处于生命状态，并发挥其生物活性功能，而且初步证实该种方法优于冷冻保存的半月板。

国内学者报道用脱细胞半月板脱基质可以作为同种异体半月板供体保存方法［7］。

2.2 半月板大小的设计
选择合适大小的移植半月板是半月板移植成功与否的关键因素之一。

移植的半月板应与原半月板大小相符，能够很好地覆盖胫骨平台，而且必须左右一致。

术前可通过X线、骨扫描、CT扫描、MRI评估关节炎的发展程度、膝关节轴向对线情况、韧带的功能状态。

术前X线检查除确定半月板尺寸外，还可明确膝关节有无明显的对线不正；骨扫描能显示关节下骨的破坏程度，利于术后评价；CT扫描能较精确显示受者和供者膝关节大小，有助于选择更匹配的移植物；MRI检查可了解有无严重的软骨退变，如有否明显的对线不正或严重的软骨退变均不适合作异体半月板移植。

Dienst等人经过对人尸体行异体内侧半月板移植后得出结论：术中使用的移植物的大小对胫骨平台的接触力有着重要的影响。

移植半月板大小的不匹配可能是手术失败和关节软骨继续退变的原因之一，因此术前用影像手段精确地设计移植半月板的大小是至关重要的。

移植半月板和原有半月板大小的误差在10％内是可以接受的［8］。

2.3 半月板移植手术固定
因为内外侧形状和附着点的差异，对它们的手术固定方法也有差异。

外侧半月板固定方法有：带有连接前后角骨块的外侧半月板移植技术和不带骨块的外侧半月板移植技术，内侧半月板移植固定方法有：前后角分别带有2个骨栓的内侧半月板移植技术，连接前后角的单个骨块的内侧半月板移植技术和无骨块和骨栓的内侧半月板移植技术。

上述方法可以在手术切开或关节镜下进行。

手术切开对膝关节的损伤大，术后恢复慢。

关节镜对膝关节损伤小，术后康复快，但对术者的技术要求高。

随着关节镜技术的发展目前倾向于在关节镜下行半月板移植。

2.4 同种异体半月板移植
Arnoczky等在14个成年狗的膝关节内用冷藏保存的同种异体半月板来替代原有的正常内侧半月板，通过14 d～6个月的术后观察发现，移植物保持正常的形态，通过纤维瘢痕组织与受体周围关节囊愈合，移植物随时间的延长，半月板内的成活软骨细胞逐渐增多，3个月时与正常半月板基本类似，无半月板覆盖区胫骨关节软骨可见部分退变，半月板覆盖区无关节软骨退变［9］。

赵文志等报道家犬同种异体新鲜半月板移植实验结果显示：同种异体新鲜半月板能够与受体关节囊良好愈合，并且移植后短期随访过程中保持正常的结构和功能，从而阻止或延缓了关节软骨的退行性变［10］。

Cummins等对兔子进行了两组实验：一组为切除内侧半月板后立即移植同种异体半月板移植，另一组把兔子内侧半月板切除术后3个月进行同种异体半月板移植，实验结果表明2种移植方法对半月板切除后的关节软骨都有保护作用，而且延迟移植的半月板可能在短期逆转已经发生退行性变的关节软骨［11］。

在动物实验获得初步成功后，同种异体半月板移植也进入了临床实践。

Stollsteimer等对从1991年10月～1995年12月期间行同种异体半月板移植(未放射线处理，低温冷藏保存)的22位患者进行平均40个月的追踪调查发现：用Lysholm和Tegner评分方法评分，所有患者术后膝关节疼痛明显减轻，通过影像学手段检测到67％移植半月板保持正常形态，但33％的移植半月板发生萎缩［12］。

Wirth等人为23例病人行同种异体内侧半月板移植术，其中深低温处理的6例，冻干处理的17例，经过14年的随访所有病人的术后Lysholm评分均较术前明显改善，术后3、14年的评分分别为（84±12）分、（75±23）分。

深低温处理的异体半月板移植较冻干处理异体半月板移植的临床效果好，主要表现为后者的半月板面积有所减小［13］。

Noyes等人对39位患者行同种异体半月板移植术后2年以上的随访：其中7个患者手术失败，其余无论是从主观上，还是从统计结果来看膝关节的功能明显好转，疼痛减轻。

77.5％患者对手术结果完全或部分满意，按国际膝关节文献编制委员会(IKDC)分级评估标准90％患者的膝关节功能正常或接近正常［14］。

同种异体半月板移植的主要问题是供受体间半月板不能很好的匹配，以至于不能完全发挥应有的生物力学功能，有时应力不合理造成不良后果。

供体来源有限，保存方法不完美，以及有潜在传播疾病的危险，都限制它在临床的广泛应用。

虽然动物实验和临床的近期疗效明显，但远期效果尚不能肯定，还有待于进一步证实。

2.5 异种异体半月板移植
同种异体半月板移植在临床上的广泛开展，供体来源不足使供体和受体之间的矛盾日益突出，而引起人们的关注。

异种异体组织移植替代全切的半月板的材料成本低、取材简单、塑型方便并且容易保存，为开拓移植脏器来源提供了一个现实的可能性。

余家阔等人对同种和异种异体半月板在兔子身上进行移植后发现同种异体半月板移植后，半月板在关节内的形态良好，与关节囊周围愈合良好，移植24周后，可见关节软骨退行性变不明显。

异种异体半月板移植后短期半月板和关节软骨情况良好，而24周后移植物部分被吸收，关节软骨也出现退变和损伤
［15］。

Welch利用猪的小肠粘膜下层(SIS)来进行狗半月板移植修复，经过6个月的观察猪小肠粘膜并不能促进狗半月板组织重建［16］，而Cook利用猪小肠粘膜下层组织进行异种异体移植，表明猪小肠粘膜下层组织可以促进狗大面积缺损半月板的再生，产生了较好的功能和对关节软骨的保护［１］。

异种异体半月板移植短期内对关节软骨有保护作用，远期效果不理想。

目前对异种异体半月板移植研究国内外资料都很少见。

2.6 自身组织移植再生半月板
可用于代替半月板的自身组织有髌韧带、股四头肌腱、跟腱、脂肪垫、软骨膜组织等。

Kolm等以羊为模型利用髌韧带作为内侧半月板切除后的自身组织移植再生半月板移植，得出移植物减少关节软骨退行性变的结论。

后来他们用脂肪垫替代半月板，结果脂肪垫只能对关节软骨短期有保护作用，而无长期保护作用。

他们的结论是：脂肪垫不适合作为半月板移植的替代物［18，19］。

Peter等人随访了45例自体股四头肌肌腱重建半月板的患者，1年后在关节镜下发现移植的肌腱与半月板相似，但结构和功能上没有达到正常半月板的要求［20］。

Johnson等人用半膜肌、髌腱在患者身上进行了自身移植替代切除半月板的研究，但并不成功，随访时，5位病人或已经接受了关节置换，或将要接受关节置换［21］。

Goble等人利用股四头肌腱作为半月板的替代物，移植后的结果并未达到预期的效果［22］。

自身组织移植再生半月板的自体组织取材方便，无需进行消毒，无传播疾病及潜在免疫排斥反应的危险。

从临床效果来看得到满意结果的只是部分缺损半月板的治疗，而对半月板全切除的患者来说疗效不理想。

3 组织工程半月板移植
组织工程学是应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识正常和病理2种状态下组织结构与功能的基础上，研究、开发与修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物代替物的一门新兴科学。

组织工程的核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体。

相关的病理学研究表明，一种组织的愈合需要3个条件：(1)参与创伤修复的组织主质细胞必须有长入缺损区的修复能力；(2)缺损区损伤后应具备某种支架结构，使得组织细胞能借以长入缺损区；(3)长入缺损区的细胞能够不断增生并合成、分泌胞外基质，使长入的主质细胞能在缺损区内繁衍。

因此组织工程化半月板的主要因素有：种子细胞，支架材料，生物反应器的设计(体内、体外、或两者均用)和环境条件(如培养基、细胞因子、适当的物理刺激等)。

3.1 种子细胞与细胞因子
理想的半月板组织工程种子细胞应具备以下特点：(1)取材容易，对机体损伤小，取材数量受限小；(2)在体外培养中易定向分化为纤维软骨细胞和具有一定的传代繁殖能力；(3)植入机体后能适应膝关节的病理、生理及生物力学环境并起正常半月板的生理功能。

目前半月板组织工程的主要种子细胞有：自体纤维软骨细胞、成纤维细胞、关节软骨细胞、间充质干细胞(mesenchymal
stemcell，MSCs)等。

自体半月板纤维软骨细胞的来源有限，在体外大量扩增需要一定的时间，传代过多后存在去分化现象等，但可直接在关节镜下从自体损伤的半月板获得细胞，移植后不引起免疫排斥反应，是目前组织工程研究中应用最为广泛的一种细胞来源。

崔一民等人在单层培养条件下培养猪的半月板纤维软骨细胞发现半月板纤维软骨细胞同时表达Ⅰ、Ⅱ型胶原；第3代和第6代自体纤维软骨细胞的数量和质量可望分别满足组织工程化半月板修复缺损和再造的需求［23］。

Friedenstein发现能够在塑料培养皿中贴壁生长的梭形细胞，这类细胞能够在塑料培养皿中繁殖，具有多向分化能力，能够分化为成骨细胞、成软骨细胞、脂肪细胞和肌细胞等，后来证明该细胞就是间质干细胞。

间质干细胞来源广泛，在骨髓、骨膜、软骨膜中广泛存在，最近有的研究者从脂肪中分离出类似间质干细胞的细胞，也有多向分化能力［24］。

徐青镭等人在碱性成纤维细胞生长因子和转化生长因子β1的诱导下使骨髓间质干细胞进入软骨细胞分化谱系，为半月板组织工程重建提供了可靠的自体来源种子细胞［25］。

但是把间质干细胞定向分化为纤维软骨细胞需要众多细胞因子诱导，需要适当培养基和物理刺激。

然而对细胞因子的作用机理，应力对半月板的形成影响等问题仍不清楚。

生物反应器(bioreactor)指以人为或自然方法促进组织合成的体外培养系统或动物体内系统。

细胞能够分化、合成胞外基质最终完成修复的前提条件是适当的微环境，除了提供适当的营养，还包括作用于细胞的信号刺激(细胞因子、物理刺激)。

目前对于再生半月板的理想条件还不十分清楚。

应用于半月板组织工程的细胞因子有成纤维细胞生长因子(FGF)、转化生长因子(TGF)胰岛素样生长因子(IGF)及血小板衍生生长因子(PDGF)、内皮细胞生长因子(EGF)等。

有研究表明不同细胞因子对半月板细胞增殖、迁移的作用表现不同：血小板源性生长因子AB(PDGF AB)、肝细胞生长因子(HGF)、骨形态发生蛋白
2(BMP2)能促进所有区域半月板细胞增殖，其中PDGF AB及HGF可以同时促进血供区、少血供区和无血供区3个区域的细胞迁移，而BMP2仅能促进中间1／3少血供区的细胞迁移增长40％～50％。

其他的如表皮生长因子、白介素1也只能促进部分区域的细胞迁移。