Literature
首页医源资料库在线期刊中国矫形外科杂志2009年第17卷第9期

药物抑制磨损颗粒所致骨溶解的动物实验研究

来源:《中国矫形外科杂志》
摘要:【摘要】[目的]探讨药物预防人工关节磨损颗粒致假体周围骨溶解及无菌性松动的可能性。21μm)及超高分子聚乙烯(UHMWPE)颗粒(12~200μm)各1mg,植入组配相同者为1组,共4组,每组3只。[结果]CoCr合金和Ti合金颗粒各组切片中少见颗粒,正常松质骨表现。空白对照组双折光性UHMWPE颗粒周围大量炎性纤维组织......

点击显示 收起

【摘要】  [目的]探讨药物预防人工关节磨损颗粒致假体周围骨溶解及无菌性松动的可能性。[方法]成年新西兰兔双侧股骨髁和胫骨平台横向钻4 mm×8 mm孔洞,不同部位分别植入CoCr合金(平均5.38 μm)、Ti合金(平均3.21 μm)及超高分子聚乙烯(UHMWPE)颗粒(12~200 μm)各1 mg,植入组配相同者为1组,共4组,每组3只。随机确定给药组,分别经口饲给予非选择性COX阻断剂-消炎痛0.5 mg/kg体重、钙通道阻滞剂-尼群地平0.1 mg/kg体重以及破骨细胞抑制剂-阿仑膦酸钠0.1 mg/kg体重,生理盐水为空白对照,2次/d,双盲实验。术后12周处死取材,脱钙切片,组织学观察、计算机图像分析测量并计算BA/TTA比值。[结果]CoCr合金和Ti合金颗粒各组切片中少见颗粒,正常松质骨表现。空白对照组双折光性UHMWPE颗粒周围大量炎性纤维组织细胞反应;消炎痛与尼群地平组相似,组织细胞反应相对空白对照组稍弱,偶见增生纤维组织中骨样组织存在。阿仑膦酸钠组UHMWPE颗粒包埋于骨组织中,组织细胞反应及纤维组织增生少见,间有髓样组织。UHMWPE颗粒阿仑膦酸钠组BA/TTA比值明显高于空白对照组(P<0.01),消炎痛和尼群地平组之间及其与空白对照组之间则无显著性差异(P>0.05)。[结论]药物抑制或预防磨损颗粒性骨溶解及假体无菌性松动具有一定的可行性,其中阿仑膦酸钠的作用较为肯定,值得进一步作体内外相关研究及临床验证。

【关键词】  人工关节; 磨损颗粒; 药物; 破骨细胞; 钙通道; 环氧化酶; 二膦酸盐; 拮抗剂

Drug inhibition of wear particles induced osteolysis in rabbits∥LUO Song,CAI Xu,WANG Hai-yong,et al.Department of Orthopaedics,General Hospital of Chinese PLA,Beijing 100853, China

    Abstract: [Objective]To study the possibility of drug inhibition of wear particle induced osteolysis and aseptic prosthesis loosening in vivo. [Methods]4×8 mm transverse holes were made in femur condyle and tibia plateau of 12 adult rabbits bilaterally. One milligram of CoCr alloy(mean 5.38 μm),Ti-6Al-4V(mean 3.21 μm) and UHMWPE(12~200 μm) particles were implanted into the holes separately. The animals were divided into 4 groups and each group had the same particles combination.Oral drug therapy twice a day was adopted with non-selective COX inhibitor (indomethacin, 0.5 mg/kg BW), membrane Ca2+ channel inhibitor (nitrendipine, 0.1 mg/kg BW), osteoclast inhibitor (alendronate sodium, 0.1mg/kg BW) and blank control (0.9% saline) to the 4 groups separately and randomly according to the double blind principle,which started on the 2nd day postoperatively until 12 weeks at the time of sacrifice. Routine histological observation and calculation of the ratio of bone area(BA) to total tissue area(TTA) were done under the computerized analysis system.[Results]CoCr and Ti alloy particles could seldom be seen in the slices of the groups which showed normal cancellous bone. There were obvious macrophage infiltration and fibroblast proliferation round the particulate UHMWPE in the group of blank controls.It was similar in the groups of indomethacin and nitrendipine though the histological reaction was a little bit weaker and osteotoid tissue could occasionally be seen. UHMWPE particles were totally enclosed in the cancellous bone with little fibrous tissue proliferation in the group of alendronate sodium and the BA/TTA ratio was significantly higher than those at the other groups (P<0.01), while there was no significant difference between the other groups (P>0.05).[Conclusion]This indicates the possibility of inhibition or prevention of osteolysis induced by wear particles by drug therapy especially when alendronate sodium is adopted, and it has significant clinical implications for controlling the most common cause of implant failure.

    Key  words:prosthesis;  wear particles;  drug;  osteoclast;  membrane Ca2+ channel;  cyclooxygenase;  etidronate;  inhibitor

    许多研究表明,人工关节磨损颗粒尤其是微小的聚乙烯颗粒可在体内造成假体周围的骨溶解以及假体-骨界面纤维增生和成骨抑制,这是人工关节晚期发生无菌性松动的重要原因之一。该生物学反应主要有以下几个环节:颗粒激活假体-骨界面巨噬细胞;巨噬细胞释放的溶骨性细胞因子激活破骨细胞;破骨细胞通过溶解酶造成假体周围骨质溶解吸收以及细胞因子介导下的纤维组织增生和网织骨形成障碍等[1]。本研究试图通过动物实验,探讨分别应用对这几个环节有一定拮抗作用的药物以阻断该生物学反应的可能性。

    1  材料与方法

    1.1  实验分组

    成年新西兰兔12只,体重2.0~3.0 kg,雌雄不限。于左侧股骨髁内植入CoCr合金颗粒(平均直径5.38 μm,美国Zimmer公司提供),右侧股骨髁内植入Ti合金颗粒(Ti-6Al-4V,平均直径3.21 μm,美国Zimmer公司提供),左侧胫骨平台植入超高分子聚乙烯(UHMWPE)颗粒(镜下测量12~200 μm,德国Hoechst公司提供),右侧胫骨平台每4只动物分别植入上述3种颗粒。术后每次从植入颗粒组配相同的4只动物中随机抽取1只,形成4组,每组3只动物。

    1.2  人工关节材料颗粒的植入

    手术于兔膝关节内侧显露股骨远端及胫骨近端,用4 mm环钻在股骨髁和胫骨平台打一横向骨隧道,深8 mm。按照实验分组在相应部位骨隧道内分别植入三种人工关节材料颗粒无菌干粉各1 mg,以环钻内骨栓重新封闭隧道口,填入骨栓时在隧道口处卡一1号丝线作为标记。术后予青霉素20万u/kg体重,肌注3 d。

    1.3  药物与给药

    选用非特异性PGE2阻断剂消炎痛(indomethacin,25 mg/粒,河北石药集团生产)、钙通道阻滞剂尼群地平(nitrendipine,10 mg/片,河北赛克药业生产)以及破骨细胞抑制剂阿仑膦酸钠(alendronate sodium,10 mg/片,美国默沙东公司生产)经口饲药,以生理盐水为空白对照,按上述4个实验分组随机确定给药组,行双盲实验。给药剂量为消炎痛0.5 mg/kg体重,尼群地平0.1 mg/kg体重,阿仑膦酸钠0.1 mg/kg体重,术后第2 d开始给药,每日饲服2次。

    1.4  取材及观察

    手术12周后处死动物,截取股骨远端及胫骨近端,每种颗粒每个用药组各获4份标本,10%中性甲醛固定2周。切取人工关节材料颗粒植入部位骨块,脱钙24 h,常规石蜡包埋、切片,HE染色,光镜下观察骨质中人工关节材料颗粒分布及其周围组织学反应情况。选择颗粒较多的切面,采用计算机图像分析在镜下将组织切片分成若干个视野,测量每个视野中小梁骨面积(bone area,BA)及该视野组织总面积(total tissue area,TTA),并计算BA/TTA比值,所得数据在各处理组间进行比较,以方差分析法作显著性检验(α=0.05)。

    2  结果

    2.1  大体观察

    股骨髁及胫骨平台钻孔处骨质已愈合,仅3份标本局部仍可见残留的钻孔痕迹或表面瘢痕组织。

    2.2  组织学特征

    组织切片中少见CoCr合金颗粒及Ti合金颗粒,正常松质骨表现,因此各组之间未见明显差别。

    偏振光镜下具有双折光性的UHMWPE颗粒则明显存留于植入部位。空白对照组可见围绕UHMWPE颗粒形成大量炎性纤维组织,巨大的颗粒周围组织细胞反应明显,颗粒可由异物巨细胞、巨噬细胞和大量成纤维细胞包绕。消炎痛组与尼群地平相似,组织细胞反应相对空白对照组稍弱,偶可见增生的纤维组织中有骨样组织存在。阿仑膦酸钠组与其他各组有显著差别,可见UHMWPE颗粒完全被包埋在骨组织中,组织细胞反应及纤维组织增生少见(图1)。小梁样结构的骨质之间可见髓样组织。

    图1阿仑膦酸钠组UHMWPE颗粒包埋于小梁样骨组织中,组织细胞反应及纤维组织增生少见(同一视野,普通光镜和偏振光镜观察)

    2.3  统计学处理

    植入CoCr合金颗粒和Ti合金颗粒各组切片中少见颗粒,均表现为正常松质骨,无显著差异,未作统计学处理;UHMWPE颗粒阿仑膦酸钠组BA/TTA比值较高,与空白对照组有显著性差异(P<0.01),消炎痛组和尼群地平组之间及其与空白对照组之间无显著性差异(P>0.05)(表1)。表1  不同药物作用下UHMWPE颗粒对成骨影响的比较

    3  讨论

    众多研究表明,人工关节使用过程中因磨损产生的磨损颗粒可聚集在关节腔内并通过有效关节间隙进入假体-骨界面,引起以巨噬细胞激活为先导的一系列生物学反应,最终导致假体的晚期松动。作者既往的研究同样证实了这种细胞因子介导的界面骨代谢异常,并总结提出了人工关节假体无菌性松动的生物学机制(图2)。基于该理论体系,预防人工关节假体植入后因磨损颗粒导致的晚期松动,考虑可以从以下五个环节采取措施进行阻断:1.减少或消除磨损颗粒的产生;2.消除有效关节间隙,限制磨损颗粒的扩散;3.阻断磨损颗粒对界面巨噬细胞的激活以及细胞因子的释放;4.抑制破骨细胞的活性及酶的释放;5.在界面添加外源性成骨因子,促进骨整合。

    在减少或消除磨损颗粒的产生方面,有赖于人工关节材料学和生产工艺的改进,目前在该领域已取得了许多进展,如金属对金属和陶瓷对陶瓷人工关节系统的应用。作者则在以往研究中尝试将人工髋关节的股骨柄假体设计为中空多孔,并在其腔室中装载rhBMP-2缓释复合物,以通过诱导成骨来增加假体-骨界面的骨整合,试图从消除有效关节间隙、阻断磨损颗粒扩散和对抗磨损颗粒可能造成成骨抑制、纤维组织增生这两个环节探讨控制体内磨损颗粒不良生物学反应的可能性,并已经取得了初步的肯定效果[2]。

    在磨损颗粒激活假体-骨界面巨噬细胞方面,目前多数学者认为,巨噬细胞激活后可释放IL-1/6、TNF-α、PDGF-B、PGE2等多种细胞因子并可分化为破骨细胞,这些细胞因子也可进一步激活破骨细胞释放各种胶原酶、水解酶和组织蛋白酶B/G等,从而产生骨溶解。作者以往的体外研究提示,巨噬细胞激活的启动机制与磨损颗粒致其膜钙通道开放和胞外Ca2+脉冲样内流所产生的Ca2+信号介导有关,并且该过程可被钙通道拮抗剂尼群地平(nimodipine)阻断;其他学者还证实巨噬细胞释放的PGE2在破骨细胞的活化和破骨行为中起一定的作用;二膦酸盐(etidronate)则作为破骨细胞抑制剂已广泛应用于骨质疏松的治疗。因此,本实验从巨噬细胞、破骨细胞两个环节入手,探讨应用药物钙通道拮抗剂-尼群地平组织阻止巨噬细胞激活、使用环氧化酶(COX)抑制剂-消炎痛抑制PGE2的产生以及利用阿仑膦酸钠阻断破骨细胞活性三个方面抑制磨损颗粒致假体-骨界面巨噬细胞和破骨细胞性骨溶解的可能性。

    图2磨损颗粒致人工关节假体无菌性松动生物学机制示意图

    从本实验结果看,钙通道拮抗剂尼群地平阻断巨噬细胞激活及其介导的生物学反应的作用并不显著,分析其原因可能有以下几个方面:1.UHMWPE颗粒刺激下细胞膜钙通道的脉冲样开放只是巨噬细胞激活过程中的一个中间环节,体外尤其是体内实际的激活过程更为复杂,因此单纯的钙通道拮抗剂并不能完全阻断这一反应;2.用药剂量需要进一步探讨;3.尼群地平等二氢吡啶类钙通道阻滞剂主要用于抑制血管平滑肌及心肌的跨膜钙离子内流,对血管的选择性较强,对巨噬细胞的膜钙通道是否具有同样的作用仍需进一步探讨。同样,本实验中非选择性COX抑制剂-消炎痛也未能表现出显著的巨噬细胞、破骨细胞活化反应抑制作用,其原因除了可能与用药剂量有关外,Bukata等的研究结果具有一定的参考价值。他们发现应用COX-2抑制剂选择性抑制PGE信号传递除了对PGE2的合成有直接作用外,还可抑制下游炎性/破骨细胞性细胞因子前体的产生,从而显著影响无菌性松动的发生[3]。因此,特异性COX-2抑制剂可能比非选择性COX抑制剂更为有效,这一点有待进一步研究证实。

    阿仑膦酸钠为第3代氨基二膦酸盐类骨吸收抑制剂,与骨内羟基磷灰石有强亲和力,通过抑制破骨细胞活性而发挥抗骨吸收的作用。因此,尝试应用阿仑膦酸钠抑制磨损颗粒性破骨细胞活性方面已较早引起人们的关注。Sabokbar等的体外实验表明,与单纯的骨水泥(PMMA)颗粒相比,混合有二膦酸盐的骨水泥可使破骨细胞数量以及骨吸收显著减少,提示二膦酸盐有可能用于治疗磨损颗粒引起的骨溶解和假体无菌性松动。Shanbhag等的研究也表明,连续服用阿仑膦酸钠半年可有效抑制犬非骨水泥全髋关节股骨假体周围间隙植入的UHMWPE、钛合金和钴铬合金颗粒混合物引起的骨溶解。作者的实验进一步证实,即使所用UHMWPE颗粒与国外同类研究比直径更大,同样可以造成股骨髁内骨质的溶解和炎性纤维肉芽组织的增生。而颗粒植入后服用阿仑膦酸钠3个月,则局部骨小梁可与UHMWPE颗粒共存,不仅少有组织细胞反应和纤维肉芽增生,而且颗粒被包埋于骨质中,提示阿仑膦酸钠能够有效阻断破骨细胞性UHMWPE颗粒生物学反应。而蒋四清等的研究表明,阿仑膦酸钠还对成骨细胞的活性具有增殖作用,进一步加强了阿仑膦酸钠对抗骨吸收的能力[4]。

    此外,以往采用骨收集室(bone harvest chamber,BHC)的相关研究表明,金属颗粒尤其是CoCr合金颗粒同样可以引起明显的组织细胞反应和骨溶解[1]。然而,本实验在动物股骨髁和胫骨平台颗粒植入部位少见金属颗粒及相应的生物学反应,这可能与微小金属颗粒直接植入松质骨后被髓内血液或淋巴系统转移到其他部位有关。因此,进一步的体内研究采用BHC可能更为合适。

    综上,在材料学的进步还未能完全或绝大部分消除人工关节磨损颗粒的产生以前,磨损颗粒带来的骨溶解等一系列不良生物学反应会始终存在,人工关节也仍然面临着由此造成的晚期松动问题。尽管作者的实验以及同类相关研究都越来越提示使用阿仑膦酸钠抑制破骨细胞有可能预防磨损颗粒引发的假体周围骨溶解,并已逐渐应用于临床,但是从磨损颗粒致人工关节假体无菌性松动生物学机制的不同环节切入,进一步尝试借用相应的药物或联合用药以阻断该不良反应的发生仍然是一个值得深入探讨的课题[5、6]。

【参考文献】
  [1] 蔡谞,王继芳,卢世璧,等.不同材料人工关节磨损颗粒对假体-骨界面骨形成影响的比较研究[J].中国生物医学工程学报,2003,6:554.

[2] 蔡谞,王岩,王继芳,等.rhBMP-2诱导界面骨长入中空金属植入物的初步实验研究[J].中华骨科杂志,2004,4:216.

[3] Bukata SV,Gelinas J,Wei X,et al.PGE2 and IL-6 production by fibroblasts in response to titanium wear debris particles is mediated through a Cox-2 dependent pathway[J].J Orthop Res,2004,1:6-12.

[4] 蒋四清,李锋,李光辉,等.阿仑磷酸钠对大鼠成骨细胞增殖的影响[J].中国矫形外科杂志,2005,11:918-920.

[5] Zhang C,Tang TT,Ren WP,et al.Inhibiting wear particles-induced osteolysis with doxycyclind[J].Acta Pharmacol Sin,2007,10:1603-1610.

[6] von Knoch F,Heckelei A,Wedemeyer C,et al.Suppression of polyethylene particleinduced osteolysis by exogenous osteoprotegerin[J].J Biomed Mater Res A,2005,2:288-294.


作者单位:解放军总医院骨科,北京复兴路28号 100853

作者: 2009-8-24
医学百科App—中西医基础知识学习工具
  • 相关内容
  • 近期更新
  • 热文榜
  • 医学百科App—健康测试工具