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背景和目的膝关节骨性关节炎(Osteoarthritis,OA)是临床上最常见的关节退行性疾病,以软骨进行性退变和软骨下骨重塑为主要特点,是力学和生物学因素共同作用下软骨细胞、细胞外基质、软骨下骨三者合成与分解失衡的结果。临床上,膝关节OA表现为关节持续性疼痛、畸形和功能障碍,目前没有可靠药物和治疗手段可延缓其病程,在晚期只能采用全膝关节置换术(Total knee arthroplast,TKA)治疗,是老年人群关节疼痛和致残的主要原因,给患者和及其家庭带来巨大经济负担。正常骨软骨结构从关节面到骨髓腔依次为透明软骨、钙化层和软骨下骨,软骨下骨又包括软骨下骨板和骨小梁。过去对OA的研究主要集中在透明软骨,认为软骨细胞凋亡和软骨基质降解是OA的原发病因。然而,随着对骨软骨结构和功能认识的不断深入,学者们发现透明软骨、钙化层和软骨下骨三者共同构成一个不可分割、相互影响的功能单位,在OA的发病过程中,钙化层和软骨下骨也发生特异性改变,和透明软骨退变密切相关。事实上,自Radin等首次提出软骨下骨硬化可能是软骨退变的始动因素以来,越来越多的研究开始转向软骨下骨。因此,研究钙化层和软骨下骨在膝关节OA病程中的病理改变特点,有助于全面、深刻的认识OA的发病机制,为其预防和治疗提供新的思路。本课题选用骨性关节炎最具代表性的膝关节为研究对象,对TKA术后胫骨平台标本进行研究,综合运用多种染色方法观察透明软骨、钙化层和软骨下骨病理改变特点,并采用骨组织形态计量学方法测量骨软骨结构参数,对比分析内、外侧平台透明软骨、钙化层和软骨下骨结构参数的差异,为进一步研究膝关节OA的发病机制提供实验依据。方法1.标本来源:筛选在第三军医大学西南医院关节外科中心行TKA治疗的30例膝关节OA患者,均伴有内翻畸形,内翻角度1~23°,平均9.3°。术前排除类风湿性关节炎、创伤、感染、肿瘤等其它膝关节疾病。标本均为患者自愿捐赠,其中女19例19膝,男11例11膝,年龄55~78岁,平均65.1岁,病程10~25年,平均16.6年。2.大体观察:TKA术中获取新鲜胫骨平台30个,肉眼观察内、外侧平台软骨颜色、光泽度和外观,观察软骨表面有无软化灶、溃疡、裂隙和血管翳样组织形成,有无软骨下骨暴露、象牙化和骨赘形成等。为避免区域差异,在胫骨内、外侧平台中央负重区分别切取骨软骨组织块,共计60个标本,置于体视显微镜下观察骨软骨纵切面大体形态结构。3.组织学观察:常规制备石蜡切片,采用HE染色、番红O/固绿染色、甲苯胺蓝染色、天狼猩红染色和Ⅱ型胶原免疫组化染色观察透明软骨、钙化层和软骨下骨的病理改变特点;于番红O/固绿染色下,双盲法参照Mankin评分和OARSI分级标准对软骨退变程度进行分期和分级,对比内、外侧平台软骨Mankin评分差异。4.骨组织形态计量学分析:于番红O/固绿染色下,应用Image-Pro Plus6.0图像分析软件,按照骨组织形态计量学方法测量骨软骨结构参数,对比分析胫骨内、外侧平台透明软骨、钙化层和软骨下骨结构参数的差异。5.统计分析:实验数据采用SPSS13.0统计软件处理,计量资料以均数±标准差表示,两两比较采用配对t检验,检验水准α=0.05。结果1.大体观察:肉眼观察发现内侧平台软骨退变程度较外侧平台更为严重;体视显微镜示透明软骨厚度减小,钙化层和软骨下骨之间界线不清,软骨下骨明显增厚。2.组织学观察:(1)透明软骨:根据软骨Mankin评分结果可将OA病程分为早、中、晚3期。在60个标本中,14个为OA早期,浅表层裂隙形成,且局限于浅表层;19个为OA中期,纵行裂隙进入软骨深层,裂隙周围软骨细胞簇集、增殖;27个为OA晚期,软骨全层缺失,伴血管翳样组织生成。根据OARSI分级可将软骨退变程度分为0~6级。内侧平台软骨Mankin评分为(12.4±1.1)分,显著高于外侧平台的(8.3±1.6)分。(2)钙化层:早期示潮线复制、前移且间隙增宽,伴微裂隙形成;中期示钙化层厚度增加伴血管侵入;晚期示钙化层厚度减小甚至完全缺失,多见软骨内化骨现象。(3)软骨下骨:早期软骨下骨厚度增加;中期软骨下骨厚度明显增加,局部软骨下骨暴露;晚期软骨下骨广泛暴露、象牙化,可伴有血管翳样组织、软骨下骨囊肿和软骨样组织沉积形成。3.骨组织形态计量学分析:内侧平台软骨全层厚度(TAC)和骨小梁间距(Tb.Sp)显著低于外侧平台(P<0.05);内侧平台ACC/TAC比值、软骨下骨板厚度(SCP)、骨小梁体积分数(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)和骨小梁数目(Tb.N)均显著高于外侧平台(P<0.05);内、外侧平台钙化层厚度(ACC)比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论1.在膝关节OA不同时期,透明软骨、钙化层和软骨下骨都发生了典型病理改变。2.在膝关节OA病程中,透明软骨厚度明显减小,软骨下骨板厚度明显增加,而钙化层则可能经历了一个早期厚度增加,中、晚期厚度减小的过程;骨小梁体积分数增加具体表现为骨小梁厚度、数目的增加,而骨小梁间距是减小的。3.钙化层和软骨下骨可能在膝关节OA发病过程中起着重要作用。