关节软骨损伤再生修复的组织学研究

                作者：李成付 陈晓艺 沈恒光 王杰 唐成林 孙丹舟

【关键词】  关节

    摘要：目的：制作不同程度关节软骨损伤的动物模型，对关节软骨损伤后软骨再生修复的组织学及超微结构进行系统研究。方法：选用 1 岁龄健康Leghorn鸡 20 只，随机分四组。甲组：切取左侧髋臼3×4mm全层软骨,再植回原处固定；乙组：切除左侧髋臼3×4mm全层软骨；丙组：切除左侧髋臼6×8mm全层软骨；丁组：切除左侧全部髋臼软骨。健康右侧髋臼为对照组。饲养7个月，一次宰杀，行肉眼、光镜、电镜观察。结果：甲组髋臼软骨损伤处完全修复；乙组软骨缺损区为纤维软骨再生修复；丙组与丁组髋臼软骨缺损区主要被纤维组织充填。结论：我们认为关节软骨再生修复能力有限，关节软骨再生修复程度与关节软骨损伤程度、有无关节软骨缺损以及关节软骨缺损程度密切相关。

    关键词：关节软骨；损伤；再生修复

    Histology Study in the Regenerative Repair of Articular Cartilage Injury

    Abstract： Objective： We set several animal  models  with articular injury in various degrees and studied systemically on the histology and ultra-microscopic structure of  cartilaginous regeneration after injury. Method： 20 healthy leghorn chickens of 1.year old were divided randomly into 4 group. In group A 3×4mm whole layers of acetabular cartilages were cut out and then replanted to their original sites and fixed.  In group B 3×4mm whole layers of  acetabiular cartilages were cut out.  In group C  6×8mm whole layers of acetabular cartilages were cut out .  In group  D  all acetabular cartilages were cut out.. A cetabulia on healthy sides were considered as the controlled  groups.  7 months later all the chickens were  killed  and  their acetabular were examined with naked  eye, optical and electronic microscope. Result： The  acetabular  injuries  in group A  repaired completely;  regenerative repair of fibrous cartilages occurred in the  injury area in group B; the defective areas of  acetablar cartilages in group C and D were mainly filled with fibrous tissue. Conclusion：  We thought the ability of the repair of injured articular  cartilages  was  not unlimited. The degree of regenerative repair of articular cartilages was inversely proportional to the degree of articular cartilage injury, the cartilaginous defects and the degree of  the defects.

    Key words:Articular cartilage；Injury；Regenerative repair

    由各种原因引起的关节软骨损伤甚至缺损导致关节功能障碍是骨科的常见问题。资料表明由于关节软骨无血管、神经及淋巴液供应，关节软骨损伤后再生修复困难。为此我们制作了不同程度关节软骨损伤的动物模型，对关节软骨损伤再生修复的组织学及超微结构进行了系统研究，为临床工作提供依据。

    1资料与方法

    1.1实验动物与分组:选用1岁龄健康Leghorn 鸡 20只 ，雌雄兼有，体重1.4+0.11kg，随机分四组，用甲氧氟烷开放吸入麻醉，①甲组：麻醉生效后，手术显露左髋关节脱出股骨头，切取髋臼顶部3×4mm全层软骨，再植回原处用3～0尼龙线间断缝合固定。将股骨头复位逐层缝合。②乙组：切除左侧髋臼顶部3×4mm全层软骨深至松质骨。③丙组：切除左侧髋臼顶部6×8mm全层软骨。④丁组：切除左侧髋臼全部软骨。以右侧髋关节位自身对照组。术后均未行外固定，饲养7个月观察结果。

    1.2观察方法:①大体标本观察：饲养7个月，所有实验动物一次性宰杀，肉眼观察关节软骨颜色、质地、关节面光滑程度。②光镜：用20%中性福尔马林固定标本、做HE和PAS染色后光学显微镜观察。③电镜：扫描电镜观察超微结构的改变。

    2结果

    2.1实验动物术后一般情况：各实验动物术后1周内左下肢跛行，不愿行走。术后10d手术切口一期愈合。有2只实验动物不明原因死亡，另取2只动物按上述实验方法补充。

    2.2大体标本观察结果：①甲组：手术左侧髋臼内表面软骨的颜色、形态、弹性及表面光滑度与对照组无差别。②乙组：切除3×4mm的髋臼软骨缺损区已有类似于软骨再生组织充填，中央部略凹陷，边缘与关节软骨结合较好，光滑度佳，形态及颜色基本与对照组相同，弹性略差。股骨头无形态改变。③丙组：手术左侧髋臼软骨缺损区内表面凹陷，表面为灰白色、质地较软的不透明组织覆盖，并与股骨头有少量软组织粘连，与软骨缺损区接触的股骨头关节表面不平。④丁组：髋臼与股骨头广泛软组织粘连，髋臼内表面为灰白色软组织覆盖，股骨头表面凸凹不平、轻度变形。

    2.3光镜观察结果：①甲组：其软骨损伤处的组织学特性与对照组相同，具有典型的关节透明软骨结构，层次清晰，分表层、移行层、辐射层、软股骨质钙化层，软骨下“潮线”清晰，未见软骨退化现象。②乙组：关节软骨缺损区的再生填充组织表面微薄层的纤维组织向深层逐渐移行为纤维软骨，软骨陷窝清晰，5～8个软骨细胞聚集成的同源细胞群在基质中均匀分布，软骨细胞呈圆形、数量多，排列与关节面平行。③丙组：切除6mm×8mm的关节软骨缺损区主要被纤维组织充填，大量的成纤维细胞与关节面平行。纤维组织中散在较大的软骨细胞团，幼稚软骨细胞数目多、染色深、间质少，靠近骨组织的软骨细胞团，软骨细胞数量多、基质少，软骨陷窝不清。

    2.4电镜观察结果：①甲组：其软骨损伤区扫描电镜显示与对照组相同,为正常的透明软骨,表层软骨细胞较扁,质膜有段突起，具有光滑、完整的核膜，基质中含大量与关节面平均的由胶原纤维构成的纤维束，胞质中内质网与高尔基体不发达，缺乏线粒体。移行层细胞呈卵圆形，质膜有较长突起，胞质中存在大量线粒体，大多数细胞的胞质中存在胶原纤维，高尔基体中有胞质小泡。有的小泡充满颗粒性致密物质，细胞质中致密体存在。辐射层软骨较大，质膜有较多突起，内质网和高尔基体发达。②乙组：软骨缺损区修复再生组织表层为大量由胶原纤维构成的纤维,与关节面平行，纤维束间存在成纤维细胞，向深层逐渐转变为纤维软骨，其软骨细胞与对照组移行层软骨细胞特征一致，区别在于基质中含大量的由胶原纤维构成的纤维束交叉或平均排列，基质含量少，软骨细胞质中除粗面内质网和高尔基体发达外，胞质小泡增多，多数小泡充满颗粒性电子致密物质。纤维组织与软骨间的移行区域的细胞特征介于成纤维细胞与软骨细胞之间,软骨陷窝清晰。③丙组：软骨缺损区的填充组织以纤维组织为主。在与正常软骨接触处及纤维组织中存在由幼稚细胞软骨组成的软骨细胞团增殖活跃，质膜突起较多，质中内质网和高尔基体明显扩张，线粒体数目增多，胞质小泡明显多于对照组，小泡中存在颗粒型电子致密物质，基质含量少，基质中胶原纤维含量介于透明软骨之间。④丁组：髋臼内表面完全由纤维组织覆盖，少量的软骨细胞聚集成团，其软骨细胞处于幼稚状态，其特征与丙组再生的软骨细胞相同，有蜕变的软骨细胞存在，外形不规则，细胞核致密，核膜上完整，胞质中亚细胞结构不清楚。

    3讨论

    3.1关于动物模型：选用鸡制作实验动物模型有许多优点［1，2］：鸡是双下肢行走，负重特点与人髋关节有许多相似之处，且接受实验的肢体始终负重，避免四足动物抬起患肢而三足行走，对实验结果造成影响。另外对侧髋关节作为自身对照组，符合统计学上设立自身配对的实验要求，可比性强。

    3.2软骨损伤的再生修复：Sheldon认为软骨受伤后，如果软骨细胞保存完好，软骨基质可以迅速再生成。本实验甲组动物切取髋臼顶部3×4mm全层软骨后，又植回原处牢固固定，经7个月修复，肉眼，光镜、电镜观察与正常关节结构特征无差异。我们认为关节软骨损伤后，只要早期给予可靠的、较长时间的固定，可以完全愈合，不会对关节功能产生不利的影响。在软骨细胞被破坏时，此软骨细胞虽然不能再生，但可以在软骨再生过程中起诱导作用［3］。关节软骨损伤,缺损或部分切除后不能独自再生，而是由新生的纤维组织中的成纤维细胞变圆，在其周围形成包裹、并逐渐转化为新的软骨细胞［4］。此种化生过程可以在机械作用条件下产生，特别是在压力与摩擦相结合的部位。戴金炉 、朱通伯［2］也认为关节面的相互接触是影响软骨再生的重要因素。本实验乙组动物髋臼软骨切除区为3×4mm，面积较小，经7个月修复，软骨缺损区由纤维软骨覆盖，中央部略凹陷，边缘与正常关节软骨结合较好，这证明由纤维组织化生转变为纤维软骨是一个缓慢的过程；而软骨缺损区四周正常的软骨组织，参与软骨再生修复过程比化生过程快。本组实验丙组与丁组髋臼软骨缺损区的充填再生组织中的幼稚软骨细胞团明显多于丁组。而且丙组及丁组实验侧的髋关节与软骨缺损区相接触的关节表面凸凹不平，证明关节软骨缺损后其再生修复能力与关节软骨缺损面积有关。如果关节软骨缺损面积较大或完全丧失，通过自身修复的机会很小，且对整个关节结构及功能产生不可逆转的影响，必须采用软骨移植，软骨膜或骨膜移植［5，6］才能获得较满意的关节软骨的再生修复。我们认为关节软骨损伤再生修复能力有限，关节软骨的再生修复程度与关节软骨的损伤程度、是否有软骨缺损及关节软骨缺损的面积呈反比例关系。

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    ［1］唐成林，孙丹舟，许则民.以鸡做动物模型研究手术和负重对股骨头发育的影响［Ｊ］. 白求恩医科大学学报，1993，19：287.

    ［2］戴金炉，朱通伯，肖建德.自体游离骨膜移植修复关节软骨缺损的实验研究［Ｊ］. 中华骨科杂志，1990，10(3): 203-205.

    ［3］赫国荣. 髋臼Y型软骨损伤的诊断与［Ｊ］. 中华小儿外科杂志，1988，9(3):174-176.

    ［4］Shedon,Hand K .A,Robioson:Studies on cartilage .Electron microscopic observation on rabbit eat Cartilage following the administration of papin［J］.Biopgys, Biochem，Cytol,8:151,160.
   
    ［5］W.布卢姻，D.W福西特. 组织学［Ｍ］. 出版社，2001．263.

    ［6］刘相成，王岩，董纪元. 关节软骨缺损修复对功能重建的意义［Ｊ］.临床康复，2004，26：120-123.