发育性髋关节发育不良闭合复位后内翻盂唇的转归及其对髋臼与股骨头发育的影响:临床及实验研究

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目的:发育性髋关节发育不良(Developmental dysplasia of the hip,DDH)是小儿骨科常见的髋关节疾病,闭合复位是临床上6~18个月患儿的首选治疗方案。头臼“同心复位”是DDH闭合复位治疗成功的金标准,是髋关节正常发育的前提条件。但由于软组织阻挡,常不能达到完全同心复位,其中盂唇内翻是DDH的常见病理改变,也是阻碍同心复位的病理因素之一。而复位后的盂唇内翻可否接受仍存在争议。我们前期通过对闭合复位治疗后的DDH患儿进行系列磁共振(magnetic resonance imaging,MRI)随访观察,发现闭合复位后的内翻盂唇并不能完全吸收,而是演变为一薄层纤维组织嵌于头臼之间,这种现象的远期转归及对头臼发育的影响尚不清楚。此外,内翻盂唇也是原发性髋臼发育不良和早期骨关节炎的病因之一,其机制可能与髋臼内容积相对减小,髋臼软骨所受压力变化有关。诸多研究证实,力学刺激在骨形成中对基因表达,细胞外基质合成以及跨膜转导起着重要作用。转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)信号通路在骨形成、重塑和维持等过程中具有重要作用。TGF-β信号主要通过细胞内介质Smads传导到细胞核,进而调控Runx的表达。Runx是含有Runt同源区的多功能转录因子,可通过与DNA或蛋白结合的方式调控转录。Runx2为其家族成员,在软骨生成和软骨内骨化过程中发挥着重要作用。因此,本研究的目的是首先通过前瞻性临床观察,以DDH闭合复位后盂唇内翻的患儿为研究对象,通过系列MRI评估盂唇的形态演变,以及对头臼发育的影响。然后建立盂唇内翻的动物模型,观察盂唇内翻后髋臼及股骨头软骨组织微观形态的改变以及TGF-β信号通路相关蛋白表达的变化。研究方法:本研究分为三个部分。1、发育性髋关节发育不良闭合复位后内翻盂唇的转归及其对头臼发育影响的临床研究。2014年3月至2015年6月,前瞻性收集行闭合复位治疗的DDH患儿的随访资料,以复位后磁共振显示有盂唇内翻者为研究对象,根据最后随访时内翻盂唇是否完全消失分为残余内翻组和内翻消失组。比较两组患儿复位前的IHDI分型、骨性及软骨性髋臼指数、复位后盂唇内翻的程度,及最后随访时的骨性及软骨性髋臼指数、中心边缘角及股骨头骨骺核高宽指数的差异,并比较发生股骨头缺血坏死(Avascular necrosis,AVN)的情况。2、盂唇内翻动物模型中髋臼及股骨头骨骺的病理改变与TGF-β/Smad信号通路相关蛋白表达的变化。用5周龄兔的膝关节半月板手术置入髋关节的方法建立盂唇内翻的动物模型。分别在造模后4周和8周两个时间点进行影像学及组织学观察。在骨盆前后位片上测量髋臼指数(AI)以评估髋臼发育,在磁共振冠状位成像上评估造模是否成功。影像学检查完毕后处死取材,制作石蜡切片,提取蛋白用于后续实验。对组织切片进行HE染色以评估骺板处软骨细胞的形态,数量变化,并对股骨头骺板的宽度进行测量。免疫组织化学和蛋白质印迹分析用于检测骺板中碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase,ALP),血管内皮因子(Vascular endothelial factor,VEGF),Runx2,Smad2以及TGF-β1的表达。3、盂唇内翻动物模型中髋臼及股骨头关节软骨的病理改变及软骨早期退变标志物的表达变化。动物模型的制作及取材与第二部分相同,对组织切片进行番红固绿及甲苯胺蓝染色,使用改良Mankin’s评分对髋臼及股骨头关节软骨的组织形态进行评价。扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)和透射电子显微镜(Transmission electron microscopy,TEM)用于检查髋臼及股骨头关节软骨的超微结构。TUNEL染色用于检测关节软骨细胞的凋亡率。免疫组织化学和蛋白质印迹分析用于检测髋臼软骨中Ⅹ型胶原蛋白(Type X collagen,Col-Ⅹ),基质金属蛋白酶13(Matrix metalloproteinase 13,MMP-13)的表达。结果:1、复位前残余内翻组IHDI分型III型、IV型各11髋;内翻消失组II型3髋,III型4髋(P<0.001)。两组术前的骨性及软骨性髋臼指数无统计学差异(P=0.261,0.843)。2、两组复位后当时的盂唇内翻程度分别为55.10%±9.60%与43.92%±17.59%(P=0.005)。残余内翻组在术后的盂唇内翻程度与最后随访时比较无明显差异(P=0.183)。3、最后随访时的骨性髋臼指数,残余内翻组为24.73°±5.72°,内翻消失组为19.57°±2.23°(P=0.029);软骨性髋臼指数分别为16.68°±4.05°和14.71°±2.36°(P=0.236);中心边缘角分别为20.77°±8.82°和18.86°±6.89°(P=0.605);股骨头骨骺核高宽指数分别为44.13±4.24和48.11±6.84(P=0.074)。4、最后随访时残余内翻组有5髋(22.73%)发生AVN,均为Kalamchi-Mac EwenⅠ型,内翻消失组无AVN发生。5、成功构建盂唇内翻动物模型,其影像学表现与临床研究相似,术后4周时实验组与假手术组髋臼指数的差异无统计意义(P=0.079),术后8周时实验组的髋臼指数明显大于假手术组(P<0.001)。6、实验组髋臼内半月板随观察时间的延长逐渐变薄,与假手术组相比,实验组髋臼软骨表面更为粗糙,横径增大,髋臼窝变浅;股骨头软骨表面软骨变薄、粗糙,骨骺形态变扁。7、与假手术组相比,实验组髋臼与股骨头骺板内的软骨细胞减少,肥大分化消失,同时TGF-β1,Smad2的表达明显上调,Runx2,ALP,VEGF的表达明显下调。8、与假手术组相比,实验组髋臼与股骨头表面关节软骨表现为软骨表层纤维化,胶原排列紊乱;软骨细胞“克隆”,凋亡率增加;软骨基质紊乱等典型的软骨退变表现。并且此处Col-Ⅹ,MMP-13的表达明显上调。结论:1、DDH闭合复位后,大部分内翻盂唇短期内不能吸收,而是演变为一薄层纤维组织嵌插于头臼之间,可能会导致髋臼软骨的骨化延迟。2、盂唇的长期嵌插会激活髋臼及股骨头骺板处肥大分化软骨细胞内的TGF-β/Smad通路,抑制Runx2的表达,使肥大分化软骨细胞的VEGF及ALP表达降低,导致软骨向骨转化的停滞。3、盂唇的长期嵌插会破坏髋臼及股骨头表面透明软骨的胶原结构,使透明软骨中MMP-13和Col-X的表达增加,软骨细胞肥大分化、凋亡率增加,呈早期软骨退变表现。
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