髋关节假体周围骨质溶解的生物学机制

　　全髋关节置换术是缓解关节疼痛和改善关节功能的一种有效的治疗手段，其主要适应证包括原发性骨关节炎、类风湿关节炎、强直性脊柱炎、股骨头坏死及股骨颈骨折等。近年的一项研究表明美国全髋关节置换术后的终生翻修率超过18%，且有逐年上升的趋势[1]。随着接受全髋关节置换手术的患者逐渐年轻化，对关节假体使用寿命的要求也在逐渐提高。

　　关节假体磨损微粒引起的假体周围骨质溶解和假体无菌性松动是全髋关节置换术后的主要晚期并发症，也是公认的引起手术失败的主要原因[2,3,4]。1977年Willert和Semlitsch首次提出无菌性骨质溶解是由于关节假体摩擦界面相互摩擦产生的磨损微粒被巨噬细胞吞噬从而激活巨噬细胞和破骨细胞所致[5]。当时认为引起骨质溶解的微粒成分主要是起固定作用的骨水泥，即聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）。后续研究发现关节假体的任一组成材料产生的磨损颗粒都会引起骨质溶解[6]，如超高分子聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）、钛合金、Al2O3、ZrO2、PMMA。以UHMWPE髋臼搭配金属股骨头的假体模型为例，使用过程中患者平均每走一步就会产生十万到五十万颗微米级的微粒[7]。不同材料的微粒引起的机体反应不完全相同[8,9]，体外实验中UHMWPE微粒激活的外周血细胞主要高表达巨噬细胞趋化蛋白（macrophage chemotactic protein-1，MCP-1)、白细胞介素（interleukin，IL）-6、巨噬细胞炎性蛋白（macrophage inhibitory protein-1，MIP-1），而钛微粒和PMMA微粒刺激后外周血细胞主要高表达IL-1β和肿瘤坏死因子-15（tumor necrosis factor-15，TNF-15）。目前已证实UHMWPE磨损微粒是造成骨质溶解的最主要原因[10]。另外，磨损微粒的大小、浓度和形态不同，所引起的机体细胞反应不同，最终骨质溶解的位置和范围也会存在差异[8]。Liu等[11]的体外研究发现，直径为纳米级（<50 nm）的UHMWPE微粒不会引起外周血中促炎因子（TNF-a、IL-1β、IL-6、IL-8）水平上升，并发现直径0.1~1.0 μm的UHMWPE颗粒最具生物活性。1994年，Harris[12]提出了"微粒病（particle disease）"的概念，强调假体使用过程中产生的磨损微粒可引起人体反应，微米级别甚至更小的微粒刺激假体周围细胞表达促炎因子和促溶骨因子，破骨细胞不断积累和激活，同时成骨细胞活性受到抑制，使假体周围基础多细胞单位（bone multicellular units，BMU）中破骨细胞活动占据优势引起溶骨。

　　本文以"hip replacement arthroplasty"、"osteolysis"为检索词在PubMed上进行主题检索，以"hip replacement"、"hip arthroplasty"、"osteolysis"、"periprosthetic osteolysis"、"particle disease"在Web of Science数据库中进行主题检索，以"全髋关节置换"、"骨质溶解"、"假体周围骨质溶解"、"微粒病"为关键词在万方数据库中进行检索。检索过程中限制文献文种为英文或中文，共检索文献5 483篇，其中英文5 244篇，中文239篇。文献纳入标准：①2010年之前的高引文献；②2010年及以后发表的全髋关节置换临床随访文献；③2010年及以后发表的假体周围骨质溶解的生物学机制研究的文献。排除标准：①相似研究的文献发表时间过久或影响因子较低者；②无法获得全文的文献。依据上述纳入及排除标准，本文最终纳入文献63篇，就目前关节假体周围骨质溶解的细胞分子机制作一综述。

　　一、假体周围骨质溶解所涉及的主要细胞

　　（一）单核巨噬细胞系

　　1．巨噬细胞

　　有研究发现微粒病不仅仅是局部反应，外周血及骨髓中的单核细胞在巨噬细胞集落刺激因子（macrophage colony-stimulating factor，M-CSF）、MCP-1等细胞因子作用下迁移到实体组织，分化为组织定居巨噬细胞或树突状细胞，参与维持局部微环境的内稳态[7,13]。小鼠体内成像技术发现UHMWPE磨损微粒刺激股骨后引起全身循环系统的巨噬细胞迁移至关节局部[14]。另有研究发现微粒刺激后血浆中1-磷酸鞘氨醇浓度会升高，使循环系统中单核细胞迁移到骨髓和假体周围组织[15]。

　　作为固有免疫系统的"哨兵"，巨噬细胞在炎症级联反应的起始阶段有重要作用。磨损微粒主要有两种途径作用于巨噬细胞。①吞噬作用：磨损微粒产生后被纤连蛋白、玻连蛋白、白蛋白和纤维蛋白原等来自血液或关节滑液中的蛋白包裹[16]，巨噬细胞或其他固有免疫系统的细胞可以通过整合素介导、Fc受体、补体受体、清道夫受体与磨损微粒表面吸附蛋白连接。体外实验发现UHMWPE微粒能使单核巨噬细胞和树突状细胞中的CD11c分子表达上调[17]。被吞噬的磨损颗粒引起溶酶体损害，通过细胞内溶酶体成分释放激活炎症因子表达通路。UHMWPE颗粒被假体周围细胞吞噬，可引起内吞体的膜不稳定以及核苷酸结合寡聚化结构域样受体-3（NACHT，LRR and PYD domains-containing protein 3，NALP3）等炎性小体激活[18]。②通过模式识别受体：组织定居的巨噬细胞表面有丰富的模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs），可以识别病原相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）如细菌脂多糖、脂蛋白等，以及损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs）如坏死细胞的RNA、透明质酸片段等。磨损微粒可单独作用于PRRs，也可以与PAMPs、DAMPs一起作用于巨噬细胞。钴离子可以像脂多糖或内毒素一样通过二聚作用激活Toll样模式识别受体（Toll-like receptor，TLR）-4[19]；疏水分子是通过模式识别受体引起固有免疫系统反应的强力刺激因素[20]，疏水的UHMWPE产生的氧化聚合物高分子可以作为TLR1和TLR2的配体激活巨噬细胞。有研究证实UHMWPE的降解产物氧化碳链作用于TLR1和TLR2可促进IL-1β前体的表达[21]。细菌脂多糖作为一种疏水的脂质分子，与磨损微粒有高亲和性，两者可共同组成复合物通过TLR被巨噬细胞识别，且复合物所引发的炎性因子的表达强于单一成分所引起的[22,23]。此外，不同种微粒会通过不同的模式识别受体作用于巨噬细胞。小鼠关节腔内注射UHMWPE磨损微粒，7 d后与注射PBS缓冲液的对照组相比关节滑膜增厚、炎性细胞浸润增加，关节滑膜细胞的TLR-2上调而TLR-1和TLR-4表达无变化[24]。微粒通过与PRRs作用使巨噬细胞表达炎性因子、趋化因子、蛋白水解酶、活性氧、NO、前列腺素E2（prostaglandin E2，PG-E2）等炎性介质，最终使破骨细胞在骨-移植物界面不断累积和激活[25]。

　　有研究证实磨损微粒可影响巨噬细胞的极化分型。巨噬细胞在局部微环境的作用下会分化出各种亚型，按照细胞表型及其分泌的细胞因子分为两种亚型——经典活化的M1型和选择性活化的M2型。M1型具有很强的抗原呈递能力，其特点是大量分泌TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-23等促炎因子；单核细胞在IL-4、IL-13或糖皮质激素作用下会极化为M2型，其特点是炎性因子分泌减少及大量分泌IL-10。有研究结果显示在IFN-γ、IL-3、TNF-α和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony stimulating factor, GM-CSF）作用下磨损微粒使M0巨噬细胞极化为M1型，从而促进炎症发生[26]。在翻修假体周围组织中M1巨噬细胞占所有巨噬细胞的比例高于初次手术的患者[27]。将小鼠巨噬细胞与PMMA微粒共培养后得到M1型巨噬细胞，再添加IL-4处理后可使M1型极化为M2型，而单独用IL-4处理未分化小鼠巨噬细胞则不会使细胞极化为M2型[28]。

　　2．破骨细胞

　　破骨细胞是来源于单核巨噬细胞造血系的多核巨细胞，其特点是高表达抗酒石酸酸性磷酸酶（tartrate-resistant acid phosphatase，TRAP）和组织蛋白酶K（cathepsink K，CTSK）。

　　中性粒-巨噬细胞系造血祖细胞在M-CSF、TNF-α等细胞因子作用下分化为早期单核破骨细胞前体细胞。早期破骨细胞前体细胞表达核因子κB受体活化因子RANK，RANK与NF-κB受体活化因子配体RANKL结合诱导破骨细胞前体细胞转化为破骨细胞。RANKL可以以跨膜分子和游离分子的形式存在。成骨细胞和成纤维细胞受磨损微粒刺激后，细胞膜表面RANKL跨膜分子增多；微粒诱导下巨噬细胞合成的TNF-α、IL-1β、PG-E2会刺激成骨细胞、T细胞、基质细胞，生成更多的RANKL游离分子[29,30]。骨保护素（osteoprotegerin，OPG）主要由树突状细胞、成纤维细胞和成骨细胞分泌，是RANKL的竞争性抑制物，可与RANKL结合从而抑制其与RANK结合[31]。局部RANKL与OPG的比例与骨质缺损的大小相关[32,33]。

　　在破骨细胞的成熟过程中各类细胞因子也起到重要作用。在RANKL与RANK结合的同时，IL-1β刺激破骨细胞前体细胞向破骨细胞分化。微粒刺激巨噬细胞、成骨细胞、成纤维细胞分泌的MCP-1、MIP-1和IL-8能够增强巨噬细胞和T细胞募集，释放更多的促破骨细胞生成因子。TNF-α、IL-1β浓度升高促进成骨细胞、成纤维细胞等分泌OPG[30]。IL-6和TNF-γ可与破骨细胞表面的CD126和CD119受体结合，通过JAK/STAT通路使CTSK和TRAP转录下调。在翻修假体周围组织及体外实验假体中，微粒可刺激单核巨噬细胞，出现IL-6表达增加[34,35]。但磨损微粒直接作用于破骨细胞可激活MAP酶通路，调节JAK/STST通路中的细胞因子反应，降低IFN-γ的抑制作用[36]。近来的研究发现，骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）在破骨细胞分化中也具有重要作用。Wang等[37]通过在UHMWPE刺激的小鼠气囊炎模型中利用腺病毒转染骨形态发生蛋白受体-Ⅱ（bone morphogenetic protein receptor-Ⅱ，BMPR-Ⅱ）的小干扰RNA研究发现，BMPR-Ⅱ的干扰可使破骨细胞分化受到抑制，TRAP和RANK基因和蛋白表达水平下降。

　　3．树突状细胞

　　树突状细胞在微粒引起的免疫反应中起诱导和调节作用。在UHMWPE磨损颗粒募集的众多免疫细胞中，树突状细胞具有增强炎症和溶骨的作用。体外实验证实，GM-CSF刺激的髓样树突状细胞与氧化UHMWPE磨损微粒接触后，树突状细胞组织相容性复合体-Ⅱ（major histocompatibility complex classⅡ，MHC-Ⅱ）和IL-12的表达增加[21]。树突状细胞吞噬UHMWPE微粒后无法完成降解，导致吞噬溶酶体损伤，组织蛋白酶S和组织蛋白酶B释放到细胞质中，从而激活NALP3炎性小体，最终释放出IL-1β，引起周围组织炎症反应[18]。此外，UHMWPE磨损颗粒作用于Raw 264.7巨噬细胞与DC2.4树突状细胞共培养体系时，与单独作用于两种细胞相比巨噬细胞分化为破骨细胞的数量增多，NF-κB、TNF-α、MCP-1、MMP-9表达增多[38]。

　　4．异物巨细胞

　　巨噬细胞通过吞噬作用消灭磨损颗粒，但如果颗粒过大则引起巨噬细胞融合而形成异物多核巨细胞。异物多核巨细胞可以吞噬一些较大的异物并产生活性氧、氮自由基、蛋白酶以及溶酶体酶从而促进炎症的发生[38]。

　　（二）间质细胞来源细胞

　　1．成骨细胞

　　成骨细胞由骨髓基质或骨膜中间质干细胞的骨衬细胞分化而来。UHMWPE微粒使成骨细胞前体细胞的增殖率降低[39]。成熟成骨细胞在磨损微粒单独刺激或磨损微粒与TNF-α、IL-1β共同刺激下激活NF-κB转录因子，上调趋化因子MCP-1、IL-8和CXC趋化因子12（CXC chemokine ligand-l2，CXCL-12）的表达，募集单核细胞、T细胞和中性粒细胞参与局部炎症的发生，同时还增加了RANKL、M-CSF表达以参与破骨细胞的募集、成熟和激活。此外，OPG、IL-6表达也会增加，通过JAK/STAT通路抑制破骨细胞CTSK和TRAP表达[30]；IL-6还可刺激成骨细胞RANKL表达促进骨吸收，提高破骨细胞中RANKL的敏感性[40]。同一细胞因子作用的多样性也增加了寻找抗骨质溶解药物靶点的难度。

　　2．骨细胞

　　近年来的研究证实，骨细胞可以移除陷窝周围骨基质从而进行骨重塑[41]，称为骨细胞性骨溶解。该机制对维持骨的矿物质平衡具有重要作用[42]。在甲状旁腺功能亢进患者，可观察到因骨细胞性骨质溶解导致的骨陷窝面积扩大[43]。在UHMWPE微粒刺激下，骨细胞的细胞活性无变化，但骨细胞MMP-13、碳酸酐酶2、CTSK和TRAP的表达上调，导致陷窝周围骨质流失；在小鼠颅骨中植入UHMWPE微粒可使骨细胞的陷窝面积增大；翻修手术患者的髋臼活检也发现UHMWPE微粒作用下骨松质中骨细胞的陷窝面积比初次全髋关节置换手术者大[44]。这一发现说明骨细胞性骨溶解也是磨损微粒引起骨质溶解的原因之一。

　　3．成纤维细胞

　　全髋关节置换术后，假体的关节面及骨-假体之间会形成一层肉芽组织膜，巨噬细胞和成纤维细胞是骨-假体界膜组织中的主要细胞类型。在炎性信号调控下，关节滑液大量分泌[45]，冲刷假体关节面磨损产生的颗粒，并且将炎性分子转运到邻近位置，使骨质溶解范围扩大，破坏移植物-骨界面愈合[25]。界膜中的成纤维细胞在骨-假体界面的骨微环境中对骨质溶解有双向调节作用。在磨损颗粒作用下，成纤维细胞分泌MCP-1、IL-8、MMP、TNF-α和RANKL来调节破骨细胞生成[46]。界膜中的成纤维细胞与破骨细胞前体细胞相互作用可以产生低PH环境和CTSK，有利于破骨细胞活动。另有研究发现成纤维细胞还可以通过分泌IL-6来抑制破骨细胞激活[47]，从而抑制骨质溶解的发生。

　　（三）淋巴细胞系

　　在假体无菌性松动患者中可观察到淋巴细胞从血管周围渗入假体周围组织，磨损颗粒激活的巨噬细胞分泌MIP-1和MCP-1募集外周淋巴细胞到局部组织[48,49]。T细胞受TNF-α、IL-1刺激后RANKL表达增加，促进破骨细胞成熟。体外实验发现成骨细胞膜表面的活化白细胞黏附分子（actived leukocyte cell adhesion molecule，ALCAM）和细胞间黏附分子-1（intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1）与T细胞CD6和淋巴细胞功能相关抗原-1（lymphocyte function-associated antigen-1，LFA-1）结合会增强成骨细胞IL-6的表达，抑制破骨细胞活性[50]。但是也有研究观察到在淋巴细胞缺陷的小鼠仍有微粒引起的骨质溶解发生，因此认为T细胞在磨损颗粒引起的骨质溶解中作用不大[30]。

　　二、NF-κB在假体周围骨质溶解中的作用

　　NF-κB是一种核内转录因子，有调节炎症反应和骨代谢的基因表达[51]。非活性状态下，NF-κB与其抑制蛋白IκB结合存在于胞质中。各种刺激因素通过IκB的降解活化NF-κB，活化的NF-κB进入细胞核，诱导各种细胞因子的产生。

　　磨损微粒刺激后，巨噬细胞、骨髓间质干细胞和成纤维细胞中IL-6、MCP-1及MIP-1的表达都受到转录因子NF-κB的调节[52,53,54]。MCP-1可调节单核巨噬细胞、树突状细胞和T细胞的迁移，也可以刺激单核巨噬细胞释放IL-1和IL-6。通过破坏MCP-1配体与CC趋化因子受体-2（CC chemokine receptor 2，CCR-2）受体结合可以减少巨噬细胞向UHMWPE灌注点的迁移。micro-CT结果证实，在UHMWPE微粒刺激后，CCR-2受体被拮抗的裸鼠的股骨骨质密度高于正常组经微粒刺激后的股骨骨质密度[55]。MIP-1α有很强的对单核巨噬细胞和白细胞的趋化作用和对破骨细胞的募集、分化作用，MIP-1α可刺激促炎因子IL-1、IL-6和TNF-α的释放[7]。最近有研究采用诱骗寡核苷酸（decoy oligodeoxynucleotide，decoy ODNs）技术，竞争性抑制NF-κB与靶基因启动子的结合，从而阻止下游基因转录。将UHMWPE颗粒与人THP1巨噬细胞共培养，实验组使用双链NF-κB decoy-ODN进行干扰，与裸ODN对照组相比TNF-α、MCP-1、MIP-1α的表达水平明显下降，从而使巨噬细胞的募集受到抑制[40]。

　　NF-κB可以调节破骨细胞前体细胞分化为破骨细胞。促炎因子可诱导破骨细胞前体细胞表达细胞转录因子NF-κB亚基P50、P52以及c-Fos、NFATc1。在破骨细胞分化过程的早期，RANKL和TNF作用于破骨细胞前体细胞，通过NF-κB调节破骨前体细胞分化为破骨细胞，上调转录因子NFATc1和c-Fos，促进破骨效应分子TRAP和CTSK的表达。抑制NF-κB可抑制RANKL和TNF诱导的破骨细胞分化[56]。

　　NF-κB也有对抗骨质溶解的调节作用。NF-κB可调节Ⅰ型胶原基因表达，从而使成骨细胞分泌胶原诱导骨形成[1,57]。MSC细胞中NF-κB下游的抗炎因子表达，如IL-10可起到调节免疫的作用[58]。钛微粒能够刺激NF-κB下游的干扰素-γ（interferon-γ，IFN-γ）和IL-6表达，从而发挥抗破骨细胞生成作用[36]。近来的研究证实，抑制NF-κB的活性可以抑制β-链蛋白（β-catenin）降解，从而增强间质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）的成骨能力[59,60]。

　　三、"微粒病"的个体差异性

　　使用相同磨损率假体的患者骨质溶解情况并不相同，除所用材料、手术技术的差异外，遗传学因素也是骨质溶解反应差异的原因[61]。Gordon等[62]发现具有影像学骨质溶解的患者其外周血单核细胞中IL-1β和IL-6的表达显著增加，这说明某些患者对磨损颗粒反应更"敏感"。参与骨质溶解的诸多环节中，任一部分基因组的核苷酸变化都会导致最终结果的不同。Wilkinson等[63]最先研究了编码TNF-α基因的多态性与全髋关节置换后假体周围骨质溶解的关系，发现携带TNF-α-238A等位基因的患者术后发生骨质溶解的概率比非携带患者更大（OR=1.7），且该等位基因是骨质溶解的独立危险因素。此后又有学者陆续研究了IL-1 Rα+2018位点、IL-6基因、MMP-1基因的单核苷酸多态性与骨质溶解发生的相关性[48]。但目前针对全髋关节置换术后无菌性松动的遗传易感性的决定基因尚无定论，仍需大样本多中心研究进行验证。

　　通过文献回顾，假体周围骨质溶解机制的研究进展主要包括以下几个方面：①微粒通过吞噬作用或模式识别受体激活巨噬细胞，产生趋化因子GM-CSF、MCP-1、MIP-1和促炎因子IL-1β、IL-6、TNF-α等；②磨损颗粒作用下成纤维细胞、树突细胞和淋巴细胞分泌MCP-1、MIP-1、IL-8，可促进局部巨噬细胞的募集和激活，RANKL、TNF-α和IL-1β表达增多可促进破骨细胞前体细胞分化为成熟破骨细胞；③TNF-α、IL-1β与磨损颗粒作用于成骨细胞可促进IL-6、MCP-1和M-CSF的表达；④IL-6和IFN-γ有下调破骨细胞TRAP和CTSK表达的作用；⑤磨损微粒可引起假体周围骨细胞性骨质溶解。

　　假体周围骨质溶解机制涉及的细胞和细胞因子作用复杂，目前尚无十分明确和完善的认识，针对细胞内通路的研究更是有限。相关研究的不断深入，将有利于找到防治假体周围骨质溶解的有效靶点。但需注意的是目前大部分研究都是体外或小动物实验，其结果与人体内的细胞反应可能存在差异。在假体周围骨质溶解的进程中，NF-κB影响的诸多细胞通路都发挥了作用，不同的细胞和细胞因子构成的微环境条件引起不同的作用效果。有学者提出了抑制NF-κB活性，阻碍其下游基因表达从而抑制假体周围骨质溶解的策略，但抑制NF-κB最终会引起的具体效应目前尚不清楚。此外，通过遗传易感基因筛选关节置换术后容易发生骨质溶解的患者，针对性地设计预防措施，也可作为防治假体周围骨质溶解的策略之一。