人工关节松动的药物和基因治疗进展

【关键词】  人工关节

　　人工关节无菌性松动是人工关节置换术的主要并发症，它严重阻碍了人工关节的推广应用。目前，虽然手术技术的日益成熟和假体设计的不断改进，假体使用年限也相应延长;但随着患者年龄越来越轻和病例数量越来越多，因人工关节无菌性松动而需做人工关节翻修手术的病例将逐渐增多。有研究表明无菌性松动的发生率在股骨侧是13%，髋臼侧的发生率是34%[1]。由于翻修术的疗效低于初次手术，手术创伤大、价格昂贵，如何有效地通过非手术方式来预防和治疗人工关节无菌性松动这一晚期并发症一直是关节外科领域的研究热点。

　　目前绝大多数学术研究都支持无菌性松动的过程包括：(1)磨损颗粒诱发炎症反应释放炎症因子(IL1、IL6、TNF、VEGF等);(2)炎症因子激活破骨细胞(OPG/RANKL/RANK信号传导途径);(3)破骨细胞溶骨。针对无菌性松动的发病机制，药物和基因治疗主要针对：①抑制巨嗜细胞对磨损颗粒的炎症反应，减少炎症因子的释放;②抑制破骨细胞的激活和骨吸收功能[2]。本文就药物和基因疗法预防和治疗人工关节无菌性松动的研究进展作一综述。

　　1 药物治疗

　　1.1 二磷酸盐类

　　是目前研究最多的，二磷酸盐进入体内与羟基磷灰石紧密结合，然后在破骨细胞周围释放并进入破骨细胞，抑制胆固醇合成过程中甲羟戊酸合成途径的中间产物焦磷酸法尼酯/焦磷酸牛二酯(FPP/GGPP)的形成，使细胞内信号传导通路受阻，从而抑制破骨细胞的分化、增殖及成熟，干扰破骨细胞功能，并促进其凋亡[3]。大量的试验证明它能够在动物和人的体内抑制破骨细胞的活动[4]。二磷酸盐目前临床上主要用于预防和治疗与破骨细胞骨吸收相关的疾病，如骨质疏松症、Paget病及恶性高血钙等，包括含氮二磷酸盐和非含氮二磷酸盐两大类。含氮二磷酸盐(如帕米磷酸钠、阿仑磷酸钠及利塞磷酸钠等)较非含氮二膦酸盐抗骨吸收作用强，副作用小，因此临床应用较多。Shanbhag等[3]研究发现二磷酸盐类药物不仅可以保持假体周围骨量而且可以促进假体周围骨长入。Bhandari等[5]荟萃分析290例关节置换术患者，发现术后3、6、12个月服用二磷酸盐类药物组患者假体周围骨密度明显高于对照组。但是大多数的研究结果都局限在患者术后2年之内，这样假体周围的骨量下降很有可能由假体的应力遮挡而非炎症骨溶解所致[6]。并且有研究显示虽然含氮二磷酸盐是一种有效的抗骨吸收药物，但是大部分此类药物都伴随有致炎的副作用。这些副作用包括低热、C反应蛋白增高、胃肠道不适和眼部炎症等。在治疗儿童成骨不全疾病中，能够引起明显的流感样症状[7]。最新研究报道此类药物较严重并发症致下颌骨坏死[8]。这些不良反应和此类药物是否能够预防和治疗磨损颗粒诱导的假体周围骨溶解，还需要长期的临床随访和研究。

　　1.2 激素类

　　降钙素为32个氨基酸组成的多肽激素，也是临床常用的治疗骨质疏松的药物。它主要是通过与破骨细胞表面的降钙素受体结合而发挥作用。与二磷酸盐类似，降钙素不仅对成熟破骨细胞的功能有直接抑制作用，人们还发现降钙素可以抑制破骨细胞发育的早期节段。Cornish等[9]等研究发现，降钙素可以抑制早期TRAP染色阳性的多核细胞的形成，并可以抑制破骨前体细胞的融合。范卫民等[10]通过体外研究证明降钙素能有效地抑制微粒介导单核巨噬细胞分泌溶骨性因子，从而抑制破骨细胞的活性。Peichl等[11]使用鼻喷降钙素对绝经后的女性全髋置换患者进行治疗发现可以明显改善手术效果。但目前关于降钙素是否能够抑制人工关节无菌性松动的体内研究还比较少，还需要进一步研究和观察。

　　1.3 抗生素类

　　研究较多的是大环内酯类抗生素红霉素，它之所以能够引起人们的关注是因为它具有独立于抗菌作用之外的抗炎作用。它能够改善一些慢性的炎性疾病至少有一部分是通过调节核因子kB来实现的[12、13]。红霉素长期被应用于治疗各种感染性疾病，长期应用红霉素无明显的不良反应。Ren等[12]体外试验表明5 μg/mL的红霉素可以明显抑制颗粒刺激小鼠RAW264.7巨噬细胞系的NFkB、cathepsin K(CPK)、IL1b、TNFa的相应mRNA的表达。在MCSF和RANKL的作用下小鼠骨髓祖细胞向破骨细胞分化，5 μg/mL的红霉素可以减少70%的多核破骨细胞和50%TRAP染色阳性细胞的形成。Ren等[14]还通过体内试验证明红霉素可以抑制磨损颗粒诱发的骨溶解反应。红霉素的临床安全性、有效性和它特有的分子靶点使它有可能成为一种治疗假体松动的药物。以上临床前期体外和动物试验结果令人满意，下一步就是通过大规模的临床调查来验证口服红霉素是否可以在假体周围达到有效浓度并且改善局部组织反应，进而预防松动的发生[14]。另一种是四环素类，在人工关节松动患者的假体周围组织中存在有丰富的金属蛋白酶，它被认为和假体周围骨溶解和假体松动有密切的关系[15]。亚抗菌剂量的四环素类药物可以抑制金属蛋白酶的活性，其中强力霉素(Doxycycline)的作用最明显。Ong等[16]研究表明强力霉素可以明显抑制小鼠体内的骨溶解。目前还没有四环素类药物应用于临床来预防和治疗人工关节松动的报道，还需要我们进一步的研究。

　　1.4 他汀类药物(statins)

　　他汀类是心内科降血脂药物，对心血管疾病有良好的效果。它是通过抑制甲羟戊二酸单酰CoA还原酶(HMG2CoA)的活性，从而抑制破骨细胞合成及功能，降低骨的吸收[17]。体外试验已经证明此类药物可以抑制破骨细胞的骨吸收[17];有学者应用小鼠颅骨骨溶解动物模型也观察到辛伐他汀(simvastatin)可以抑制破骨细胞活动同时增强成骨细胞成骨功能[18]。由于其安全性已证明，相信不久会有应用此类药物预防人工关节松动的临床报道。

　　1.5 非甾体类抗炎药

　　PGE2在人工关节无菌性松动中发挥着重要的作用，人工关节无菌性松动伴随着PGE2的表达增加[15]。有学者应用PGE2抑制剂来预防炎症骨溶解的发生，但结果均为阴性[10]。Persson等[19]对144例关节置换患者随访10年发现服用依布洛芬的患者松动发生率高于对照组，此类药物是否可以用来预防和治疗松动还存在争议，因为它可以减少成骨。

　　1.6 TNF拮抗剂

　　已酮可可碱(Pemoxifylline)为甲基黄嘌呤衍生物是一种TNF拮抗剂，可以治疗动物和人类的某些炎症性疾病。用来治疗周围血管疾病已经有20多年的历史。Schwarz等[20]通过动物试验发现已酮可可碱和二磷酸盐一样，可以明显抑制磨损颗粒诱导的骨溶解反应。Pollice等[21]研究发现口服已酮可可碱可以明显降低外周血单核细胞在钛颗粒刺激下的TNF的释放。近年来关于此药物的研究较少，目前还没有关于此药物应用于临床预防人工关节松动的研究报道。依那西普(Etanercept)最近研究并应用于临床TNF拮抗剂，是由人Ig生产的抗TNFα受体单抗。在风湿性关节炎的治疗方面取得了很好的效果，并且可以减少风湿造成的骨侵蚀[22]。研究表明依那西普可以明显抑制小鼠颅骨模型的骨溶解反应，但Schwarz等[23]应用此药治疗20例全髋置换术后松动的病人，1年随访和安慰剂组对比无明显差异。

　　1.7 人RANKL单克隆抗体(AMG162)

　　由Amgen公司研制的一种针对人的RANKL的高亲和性单克隆抗体，它完全由人的IgG组成。Ⅰ、Ⅱ期针对绝经女性的临床药物试验已经证明它的安全性和抗骨吸收作用[24];目前Ⅲ期临床试验已经基本完成，预计在不久即将应用于临床[25]。目前应用此单克隆抗体来预防人工关节松动的动物实验和临床研究还很少，但由于它的特殊靶点，相信将来会应用于预防和治疗人工关节松动的研究。

　　1.8 VEGF R2/Fc

　　人工关节置换术后患者骨和假体之间有一层结缔组织，它是高度血管化的。有很多因素可以刺激血管发生，其中一个重要的原因就是巨嗜细胞和成骨细胞分泌的血管内皮生长因子，它的表达受到生长因子、激素和细胞因子的调节。它在炎症、破骨细胞激活和骨吸收[26]的过程中都扮演着重要的角色。VEGF R2/Fc是一种将VEGF细胞膜受体的细胞外域结构和IgG结合起来的嵌合体，它能够和游离的VEGF(血管内皮生长因子)结合并使其失活。Ren等[26]应用VEGFR2/Fc来观察VEGF在骨溶解中的作用。在小鼠气囊骨溶解动物模型的气囊内注入这种嵌合体，发现气囊炎症反应减轻，破骨细胞溶骨受到明显抑制。目前相关临床研究尚未开展。

　　2 基因治疗

　　基因治疗是将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或者发挥治疗作用，从而达到治疗疾病目的的生物医学技术。目前用来治疗无菌性松动所导入的基因主要有一下几种：

　　2.1 白介素受体拮抗剂(IL1receptor antagonist protein，IL-1Ra)白介素-1是炎性骨溶解中的重要炎症因子之一，它可以进一步激活破骨细胞。用骨水泥颗粒注入小鼠气囊内诱发炎症反应，将载有人类白介素受体拮抗剂基因的逆转录病毒注入气囊内，结果发现气囊内炎症渗出减少，炎症因子释放减少[27]。另有学者用同基因小鼠的颅骨植入小鼠气囊内，用聚乙烯颗粒刺激炎症骨溶解反应，可以看到有明显的骨溶解发生;再将上述逆转录病毒注入气囊内，可以观察到炎症因子释放受限，破骨细胞溶骨受到抑制[28]。

　　2.2 肿瘤坏死因子受体拮抗剂(inhibitor of tumor necrosis factorα receptor) sTNFR：Fc是一种重组蛋白，它是由人的肿瘤坏死因子受体的细胞外域结构和小鼠免疫球蛋白的Fc片段融合在一起组成。Childs等[29]应用腺病毒将sTNFR：Fc基因(soluble inhibitor of tumor necrosis factorα)导入普通小鼠颅骨骨溶解动物模型体内不能抑制骨溶解发生，但在裸鼠组却能降低骨溶解发生。他认为腺病毒载体不适合用来进行炎症骨溶解研究，因为腺病毒本身就能引起明显的炎症反应，应用其它载体可能会达到此目的。

　　2.3 白介素-10(IL-10)IL10可以下调炎症因子如IL1、IL6和TNF等[30]，而且有研究提示它可以用来治疗风湿性关节炎、结肠炎、腹腔感染等炎性疾病[31]。应用小鼠气囊炎症模型，将IL10基因导入小鼠体内发现试验组小鼠的炎症反应受到了明显抑制[32];再将此基因导入小鼠气囊骨溶解动物模型体内，可以观察到破骨细胞的激活和骨溶解反应明显下降[28]。

　　2.4 骨保护素(OPG)骨保护素是人体本身就具有的一种蛋白，它可以和RANKL结合，从而阻止RANKL、RANK的结合，来抑制破骨细胞激活和骨溶解[33]。将稳定转染OPG基因的成纤维细胞样滑膜细胞和钛颗粒同时注入小鼠颅骨正中缝，尽管转染细胞的OPG表达量很少(0.3 ng/ml/72 h/10(6)cells)，但可以明显抑制钛颗粒刺激的炎性骨溶解反应[33]。用腺病毒作为载体将人类骨保护素基因导入小鼠气囊骨溶解动物模型的体内，也观察到了同样的结果[34]。

　　综上所述，药物治疗所涉及的药物大都是已被临床使用的，其安全性是有保证的。目前研究的重点和难点是如何降低长期使用这些药物的副作用和如何提高假体周围局部的有效药物浓度。用转基因的方法来预防和治疗人工关节无菌性松动是近年来研究的最新进展，虽然取得了显著的效果但因为基因治疗的人体安全性尚未解决，所以这些研究还停留在体外试验和动物试验;目前美国FDA尚未批准相关基因治疗引用于临床，还需要长期和深入的研究。由于磨损是目前人工关节置换术后不可避免的一个问题，开发和研制新的有效的药物和方法来预防治疗人工关节松动，将会改善和提高数以百万的关节置换患者的生活质量和水平，对整体社会人群健康水平的提高将起到深远的影响。

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作者单位：上海交通大学附属第六人民医院骨科，上海宜山路600号 200233