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【摘要】 ［目的］研究聚乙烯微粒、细胞因子与人工髋关节松动的相关性。［方法］根据假体的类型及假体中是否含有聚乙烯将38例人工髋关节翻修病例分为3组：全髋置换组、双动头组和一体式单动头组，对各组术中松动假体周围界膜组织进行光镜下炎性细胞计数的半定量分析和肿瘤坏死因子（TNF）的测定，分析人工髋关节无菌性松动与聚乙烯微粒、细胞因子之间的相关关系。［结果］根据Joseph的半定量标准，全髋置换组和双动头组在光镜下界膜中炎症反应程度无显著性差异（P>0.05），而单动头组与另外两组相比炎性细胞反应程度有显著性差异（P<0.05）；经统计学分析显示全髋置换组与双动头组界膜中TNF含量无显著性差异（P>0.05），而全髋置换组与单动头组界膜中TNF含量有显著性差异（P<0.05），双动头组与单动头组界膜中TNF含量有显著性差异（P<0.05）。 ［结论］聚乙烯微粒比其他微粒（如金属微粒、水泥微粒等）更可以刺激界膜中巨噬细胞释放更多的溶骨性的细胞因子TNF导致骨溶解加剧，人工关节的材料中尽量不用聚乙烯或改变聚乙烯的特性以减少磨损微粒和其刺激巨噬细胞所释放溶骨性的细胞因子（如TNF）的数量，从生物学角度降低假体松动的发生率。
【关键词】 人工关节； 细胞因子； 磨损微粒； 髋
Relativity study during polyethelene debris cytokine and hip prosthesis loosening∥MA Jian-bing，LIU Miao, MENG Xiang-dong，et al.Department of Orthopedics,the First Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University,Xi’an,710054,China
Abstract: ［Objective］To study the relativity during polyethelene debris cytokine and loosening of hip prosthesis. ［Methods］Thirty eight patients with loosening of hip prosthesis were divided into three group:total hip arthoplasty,double hip arthoplasty and integrated arthoplasty.The inflammative reaction was analyzed with light microscopic observation arrording to the half-ration standard of Joseph,and the content of TNF in samples of interface membranes was determined.［Results］In the observation of inflammative reaction under light microscopic, there was no significant difference between total hip arthoplasty group and double hip arthoplasty group (P>0.05),but the integrated arthoplasty group had significant differences from the other two groups(P<0.05).The same results with the determination of the TNF content,were found in about the three groups.［Conclusion］The polyethelene debris stimulated the interface membrane to release more bone resorption factors which caused the prothesis loosening than other debris .Reducing the dosage or changeing the charicteristic of polyethelene could decrease the loodening rates of arthoplasty.
Key words：artificial joint; polyethelene debris； cytokine； hip arthoplasty
随着人工髋关节的广泛应用和使用时间的不断延长,假体松动已成为二次翻修术的主要原因，如何降低假体的松动率一直是国内外骨科医生努力的方向。2001年2月～2008年1月作者总共搜集了38例人工髋关节假体松动进行翻修手术的病例，根据假体的类型及假体中是否含有聚乙烯将38例人工髋关节翻修病例分为3组：全髋置换组、双动头组和一体式单动头组。对各组术中松动假体周围界膜组织进行光镜下炎性细胞计数的半定量分析和肿瘤坏死因子的测定，分析人工髋关节无菌性松动与聚乙烯微粒、细胞因子之间的相关关系，试图找出引起假体松动的部分原因，从而降低假体松动的发生率。
1 临床资料
1.1 一般资料
共38例首次进行人工髋关节置换术后假体松动的患者，其中男性21例，女性17例；平均年龄68岁（49～77岁）。首次手术方式：全髋关节置换12例，双动头置换18例，一体式单动头置换8例；骨水泥固定19例，非骨水泥固定11例，柄水泥、臼生物固定8例。人工假体植入时间最长15年，最短1年4个月（平均79个月）。
1.2 分组情况
根据假体的类型及假体中是否含有聚乙烯将38例人工髋关节翻修病例分为三组：全髋置换组（12例）、双动头组（18例）和一体式单动头组（8例）。
2 观察方法
2.1 炎性细胞计数的半定量分析
在翻修手术中取股骨一区（根据Gruen-Amstutz［1］分区法）的界膜组织，标本以10%的福尔马林溶液固定，石蜡包埋切片，HE染色，根据Joseph的半定量标准［2］在OLYMPUS显微镜下对各组术中松动假体股骨一区的界膜组织进行单核细胞、多核巨细胞、淋巴细胞、中性粒细胞等炎性细胞计数的半定量分析。
2.2 TNF肿瘤坏死因子的测定
每份界膜标本取2 g组织切割为6份，依次加入15%的小牛血清的Eagle培养基，并加入100 U青霉素和100 μg的链霉素，放置于37°含有5%二氧化碳的细胞培养箱中孵育72 h，取上清液，用放射免疫法测定肿瘤坏死因子的含量。
3 统计方法
采用SPSS 13.0软件对所得到的资料进行统计学分析，以P<0.05为统计学显著差异。
4 结果
4.1 炎性细胞计数的半定量分析（根据Joseph的半定量标准）：
采用多个样本比较的秩和检验法显示组间炎性反应存在差异（P<0.05），进一步使用Wilcoxon非配对秩和检验法进行统计分析，全髋置换组和双动头组在光镜下界膜中单核细胞、多核巨细胞、淋巴细胞、中性粒细胞的炎症反应程度无显著性差异（P>0.05），而单动头组与另外两组（全髋置换组、双动头组）相比炎性细胞反应程度有显著性差异（P<0.05）（表1）。 表1 镜下所见各种炎性细胞统计表组别关节
4.2 肿瘤坏死因子（TNF）的测定结果见表2表2 标本中TNF含量比较全髋置换组双动头组单动头组TNF含量
采用SPSS 13.0软件对所得到的资料进行统计学分析，以P<0.05为统计学显著差异标准，经单因素方差分析显示治疗组间TNF含量存在显著差异（P<0.05），组间比较采用最小显著差数法（LSD法）结果见表3
统计学分析显示全髋置换组与双动头组界膜中TNF含量无显著性差异（P>0.05），而全髋置换组与单动头组界膜中TNF含量有显著性差异（P<0.05），双动头组与单动头组界膜中TNF含量有显著性差异（P<0.05）。
5 讨论
随着近年来人工关节应用的迅猛发展，关节置换已成为髋关节晚期病变最有效的治疗方法。但随着时间的推移，假体周围出现骨溶解导致假体松动成为髋关节置换失败最主要的原因。对骨溶解的机理和预防对策的研究正在探索。
5.1 人工关节松动的生物学机理 人工关节植入体内后假体与骨界面都有不同程度的微动，而超过一定程度的微动就会抑制假体周围骨组织的生长，导致界面中纤维组织的充填—即形成界膜。人工关节置换术后在活动中产生较多的磨损微粒（如金属微粒、骨水泥微粒、聚乙烯微粒、陶瓷微粒等）进入界膜组织中就会引起一系列的生物学反应。磨损微粒被巨噬细胞吞噬或包绕，刺激巨噬细胞产生溶骨性的细胞因子如TNF、IL-1、IL-6、PGE2、NO、金属蛋白水解酶、转移抑制因子等。尤其是聚乙烯磨损微粒经本研究证实具有比金属微粒、骨水泥微粒更强的刺激因素，刺激巨噬细胞释放更多的炎性介质，这些炎性介质或细胞因子能通过不同的途径引起假体周围骨溶解，导致假体置换手术更早的失败。Kaufer［3］的研究也证实聚乙烯颗粒是造成假体周围骨溶解的主要因素。虽然从50年代Charnley开始应用聚四氯乙烯到超高分子聚乙烯到现在最流行的高交链聚乙烯，已经极大的提高了髋臼的耐磨性，实验室研究结果显示超高分子聚乙烯内衬钴铬钼合金股骨头摩擦300万次所产生的磨屑为（109±31） mg，而高交链聚乙烯仅为（4±1） mg［4］。但如何尽可能地最大限度地减少活动中产生的磨损碎屑（尤其是减少聚乙烯碎屑），从而减少溶骨性细胞因子等炎性介质的释放，将从生物学的角度降低人工髋关节置换术后失败的发生率或最大限度地延长人工关节的使用寿命。
5.2 各组界膜炎性反应程度的不同 松动的髋关节的组织反应各种慢性炎性细胞浸润及成纤维细胞和大量胶原纤维增生形成界膜。炎性细胞的主要成分是单核组织细胞、多核巨细胞、淋巴细胞及浆细胞等［5］。组织异物反应早期主要是单核细胞的浸润，随之成纤维细胞增生和产生大量的胶原纤维。淋巴细胞和浆细胞出现在异物反应的后期，在无菌性松动病例中都有异物反应；而免疫反应局限于少数病人，当磨损颗粒活性表面暴露在血浆中，血清中高浓度补体C3以及裂解生成的C3a和C3b对于旁路途径补体系统的活化极为重要。C3a可以诱导单核-巨噬细胞、嗜碱性粒细胞、多核巨细胞释放炎性介质，异物组织反应的最终结果形成纤维包绕和异物肉芽肿［6］。这与作者临床上观察到的是一致的，这种炎性反应与感染所造成的反应并不一致。假体置入后如果合并有细菌感染可能同样会出现上述炎性细胞，但急慢性细菌感染会引起大量中性粒细胞浸润并可见到感染的临床表现如发热，局部疼痛红肿或有皮肤破溃等表现。本研究中仅有2例轻度中性粒细胞浸润，术中肉眼亦未发现感染迹象，基本可以排除感染的可能。Joseph临床研究发现除非手术本身引起感染，假体的磨损碎屑并不增加假体的感染几率。
本研究中炎性细胞计数的半定量分析结果说明单动头组炎性细胞反应程度较全髋置换组和双动头组轻，分析原因可能是单动头组中金属头主要与髋臼骨质摩擦，由于金属比聚乙烯耐磨，一体式单动头组所产生的磨损微粒数量较全髋组和双动头组少，界膜中巨噬细胞吞噬异物后的异物巨细胞反应较轻，刺激其释放的炎性介质少，从而单动头组炎性细胞反应程度较全髋置换组和双动头组轻；全髋置换组、双动头组之间所产生的磨损微粒数量无明显差异（主要是聚乙烯微粒），界膜中的炎症反应程度均无显著差异。
5.3 各组界膜中肿瘤坏死因子含量的不同 肿瘤坏死因子含量测定结果发现全髋置换组与双动头组界膜中肿瘤坏死因子含量无显著性差异，而全髋置换组、双动头组都与单动头组界膜中肿瘤坏死因子含量比较有显著性差异，说明有二种可能：第一，全髋置换组与双动头组中所产生的聚乙烯微粒比其他微粒（如金属微粒、水泥微粒等）可以刺激界膜中巨噬细胞释放更多的溶骨性的细胞因子导致骨溶解加剧，致假体松动；第二，含有聚乙烯的关节因为有不耐磨的聚乙烯而比无聚乙烯的关节产生更多的磨损微粒数量，由于更多的磨损微粒数量导致界膜中溶骨性的细胞因子分泌增加导致骨溶解。
人工关节的材料中尽量不用聚乙烯或改变聚乙烯的特性，如此可以减少关节置换后体内的磨损微粒数量，减少巨噬细胞对磨损微粒的吞噬从而减少界膜中巨噬细胞释放溶骨性的细胞因子（如肿瘤坏死因子），从生物学角度可减少骨溶解的发生，降低假体松动的发生率。
【参考文献】
［1］ Gruen H,Jasty M,Harris WH.Periprosthetic bone lossin total hip arthroplasty.Polyethylene wear debris and the concept of the effective joint space［J］.J Bone Joint Surg(Am)，1992,6:849.
［2］ Joseph M,Mirra H,Amstulz C,et al.The pathology of the joint tissue and its clinical relevance in prothesis failure［J］.Clin Ortho，1976:117-221.
［3］ Kaufer H,Danelists,Amstutz HC,et al.Symposium:osteolysis in total joint replacement［J］.Contemp Orthop,1993,27:47-58.
［4］ 毛宾尧.人工髋关节技术进展［J］.中国矫形外科杂志，2008，2：115.
［5］ Madelin J,Li TF,Hukkanen M,et al.Interface tissue fibroblasts from loose total hip replacement prosthesis produce receptor activator of nuclear factor-kappa B ligand,osteoprotegerin,and cathepsi K［J］.J Rheumatol,2005,4:713-720.
［6］ Michael,Gorden,Peter,Bulbugh G.Synovial and osseous inflammation in failed silicone-rubber prosthesis［J］.J Bone Joint Sur(Am)，1982:64-547.
作者单位：1.西安交通大学第一附属医院 710054;2.西安市红十字会医院骨关节科 710068