廖云健 王亞飛 劉慧敏 于 聰 廉永云 孫 闖

(哈爾濱醫(yī)科大學附屬第四醫(yī)院骨科，黑龍江省哈爾濱市 150001，電子郵箱：15562646913@163.com)

【提要】 關節(jié)置換術后骨溶解與富含巨噬細胞、細胞因子及磨損微粒的假體周圍界膜形成有關。關節(jié)置換術后衍生的磨損微粒能刺激巨噬細胞聚集及極化，并刺激巨噬細胞釋放腫瘤壞死因子α，后者是參與骨溶解的關鍵因子。本文就巨噬細胞在假體周圍骨溶解中作用的研究進展進行綜述。

隨著假體材料、固定方法及手術技術的持續(xù)改進與成熟，人工關節(jié)置換術正逐漸成為臨床上最有效和最具成本效益的衛(wèi)生保健措施之一。據(jù)統(tǒng)計，超過75%的老年髖關節(jié)置換患者的假體使用年限可超過25年[1]。然而，隨著接受人工關節(jié)置換患者的年輕化，對人工關節(jié)使用壽命提出了更高的要求。因此，了解假體松動機制并延長假體使用壽命一直備受關注。目前大多數(shù)人工髖關節(jié)設計仍遵循低摩擦力矩原理，主要由金屬髖臼杯與金屬或陶瓷制成的股骨頭和內襯組成，而人工膝關節(jié)主要由超高分子聚乙烯脛骨托盤與高度拋光的金屬股骨部件相連組成。假體壽命主要受手術技術、植入物固定模式、假體材質、長期骨重建、骨質溶解的影響[2-3]。研究表明，人工關節(jié)衍生磨損微粒引發(fā)的生物反應是導致骨溶解的關鍵因素[2，4-5]。巨噬細胞吞噬磨損微粒后釋放一系列細胞因子及炎性介質，誘發(fā)細胞炎性級聯(lián)反應，導致假體周圍肉芽腫性炎癥；磨損微粒可導致巨噬細胞聚集、極化，破骨細胞增殖、活化，最終促使假體松動。

1 磨損微粒及巨噬細胞與假體周圍骨溶解之間的關系

1.1 磨損微粒與假體周圍骨溶解的關系 磨損微粒對假體周圍骨溶解的發(fā)生、發(fā)展起著重要作用，假體磨損率高的患者更易發(fā)生骨溶解[5-6]。無論假體由何種材質制成或采用何種方式固定，隨著關節(jié)活動量的增加必然會產(chǎn)生不同程度的磨損。不同材質的假體產(chǎn)生的磨損微粒不同，主要有陶瓷微粒、骨水泥(polymethyl methacrylate，PMMA)顆粒、超高分子聚乙烯微粒、金屬微粒等。假體周圍骨溶解與微粒形狀、大小、濃度、材質關系密切，直徑0.1～1.0 μm的微粒對機體刺激性最強[7]。將不同直徑的PMMA與人類單核細胞共同培養(yǎng)，結果顯示，直徑0.8 μm顆粒組中白細胞介素(interleukin,IL)-1α和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)含量均顯著高于直徑1.5 μm組[7]。說明磨損微粒的大小是影響假體周圍炎癥與溶骨性介質的因素之一。研究發(fā)現(xiàn)，直徑為0.2～10 μm的磨損微粒可被巨噬細胞直接吞噬，釋放TNF-α、IL-1、IL-6、前列腺素E2等溶骨性介質及破骨細胞活化因子；而直徑大于10 μm的磨損微粒則被多核異物巨噬細胞所包裹[8]。

1.2 巨噬細胞對磨損微粒的應答 巨噬細胞作為參與機體固有免疫應答的主要細胞，在炎癥級聯(lián)反應起始階段起主要作用。磨損微粒主要通過兩種方式作用于巨噬細胞：(1)受體識別：巨噬細胞表面富含模式識別受體，能識別損傷相關分子模式及病原相關分子模式，如細菌的脂多糖、脂蛋白等。磨損微粒能夠像內毒素或脂多糖一樣通過二聚作用激活巨噬細胞表面Toll樣受體(toll-like receptor，TLR)。研究發(fā)現(xiàn)，松動假體周圍軟組織中TLR表達增高，以TLR-4和TLR-5為主，表明磨損微?？赡軈⑴c假體周圍骨溶解的病理過程[9]。(2)吞噬：關節(jié)活動產(chǎn)生的磨損微粒被纖維蛋白、纖連蛋白、白蛋白、玻連蛋白包裹，巨噬細胞通過清道夫受體、補體受體以及可結晶段受體介導識別磨損微粒表面的黏附蛋白發(fā)揮吞噬作用。

1.3 巨噬細胞對機械刺激的反應 盡管磨損微粒在骨溶解中活化巨噬細胞的證據(jù)充足，仍有部分專家學者認為，即使無磨損微粒的作用，機械因素仍有可能導致髓腔空洞和假體松動，繼而引發(fā)假體周圍骨溶解[10]。巨噬細胞為機械反應細胞，當出現(xiàn)應力刺激時，單核細胞/巨噬細胞的早期應答基因表達增加，增加TNF-α和巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)受體的分泌[11-13]。體外實驗發(fā)現(xiàn)，直接使用循環(huán)液壓刺激原代人巨噬細胞，可升高其IL-1b、IL-6及TNF-α表達水平[11]。研究表明，鼠骨/鈦界面間的纖維膜厚度僅隨骨/鈦界面滑動運動而改變，增加磨損微粒濃度不會改變界膜厚度[14]。Skoglund等[15]分別采用PMMA顆粒、液壓及兩者聯(lián)合同時刺激大鼠脛骨，結果顯示單獨采用液壓刺激脛骨的骨溶解更明顯。因此認為壓力在骨溶解中可能比磨損微粒更重要。

2 巨噬細胞與破骨細胞的關系

2.1 單核細胞/巨噬細胞前體對破骨細胞分化的調節(jié) 破骨細胞是唯一的骨吸收細胞，在骨代謝平衡中起重要作用。破骨細胞來源于單核吞噬細胞譜系，是具有特定功能的單核巨噬細胞。破骨細胞再吸收骨的能力取決于c-src原癌基因的表達，c-src原癌基因具有特異性調節(jié)破骨細胞吸收骨的能力[16]。Levaot等[17]的研究表明，破骨細胞從單核細胞祖細胞或組織來源的巨噬細胞體外分化需要與源自骨髓或成骨細胞的基質細胞物理接觸；此外，M-CSF可通過集落刺激因子受體促進破骨細胞成熟，但單獨的M-CSF不足以誘導破骨細胞前體分化成具有骨吸收作用的成熟破骨細胞。體外實驗證實，破骨細胞前體在M-CSF和核因子-κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor kappaB ligand,RANKL)存在或有可溶性RANKL的基質細胞的情況下才會分化為破骨細胞[18]。人工關節(jié)置換中的骨質溶解程度取決于破骨細胞與成骨細胞的動態(tài)平衡。研究發(fā)現(xiàn)，TNF-α及IL-1可刺激成骨細胞表達RANKL和M-CSF，這可能是巨噬細胞衍生細胞因子刺激破骨細胞的一種新機制[19]。目前認為破骨細胞祖細胞可在M-CSF和RANKL刺激下分化為破骨細胞，但是對于TNF-α是否直接刺激骨髓破骨細胞生成仍然存在爭議。Cao等[20]發(fā)現(xiàn)，在M-CSF存在下，TNF-α可以直接誘導破骨細胞前體分化成具有骨吸收作用的抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase，TRAP)多核細胞。但是趙玉鳴等[21]從鼠骨髓中分離純的單核吞噬細胞，加入超生理濃度的M-CSF和TNF-α共同培養(yǎng)后并無破骨細胞形成；然而將單核吞噬細胞與成骨細胞共同培養(yǎng)后，從細胞株中分離出大量成熟破骨細胞。上述研究提示成骨細胞在破骨細胞成熟過程中發(fā)揮著重要作用。

以上研究表明，受粒子刺激的巨噬細胞可通過兩種途徑影響破骨細胞生成，即通過分泌TNF-α/IL-1刺激成骨細胞高表達RANKL和M-CSF激活破骨前體細胞，或通過分泌TNF-α促進RANKL作用從而促進破骨細胞前體的活化、增殖。

2.2 關節(jié)置換組織中巨噬細胞向破骨細胞分化 從翻修髖關節(jié)周圍組織中分離出的巨噬細胞具有分化成破骨細胞的潛能，其表面有破骨細胞特異性標志物TRAP和玻連蛋白受體表達，并且在骨小梁細胞存在的條件下具有骨吸收能力。研究證實，假體周圍巨噬細胞衍生形成破骨細胞的過程受骨保護蛋白抑制[22-23]。伍群等[24]通過對關節(jié)置換相關的骨質溶解患者評估發(fā)現(xiàn)，骨質溶解組織基質中RANKL和核因子-κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor kappaB,RANK)的mRNA和蛋白質表達水平上調，并且雙重染色顯示RANKL與RANK陽性細胞特異性結合。因此提出界膜組織中的RANKL可誘導RANK陽性巨噬細胞轉化成破骨細胞。

研究表明，從翻修假體周圍組織中分離的巨噬細胞可能通過非RANKL依賴途徑分化為破骨細胞[25]。在M-CSF和TNF-α存在的條件下，假體周圍組織的貼壁細胞群能產(chǎn)生具有骨吸收功能的TRAP 陽性細胞。添加TNFp55受體蛋白抗體后，M-CSF和TNF-α誘導的TRAP陽性細胞數(shù)量減少約50%[26]。因此認為TNF-α能直接誘導假膜中的巨噬細胞分化成具有破骨細胞特征的多核巨細胞，其原因可能是假體周圍組織的貼壁細胞群在體內被分離前曾接觸過RANKL[26]。

3 假體周圍骨溶解與巨噬細胞極化的關系

3.1 巨噬細胞極化在骨溶解中的作用 在不同病原相關分子模式和損傷相關分子模式的刺激下，巨噬細胞分化成具有不同功能的表型，即經(jīng)典活化的M1型巨噬細胞和選擇性活化的M2型巨噬細胞。M1型高表達誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)，產(chǎn)生大量一氧化氮，殺滅微生物。M2型不產(chǎn)生一氧化氮但是高表達精氨酸酶1(arginase 1,ARG1)，ARG1代謝生成的鳥氨酸、脯氨酸、多胺類可以促進膠原合成、組織重構和纖維化。

M1型及M2型巨噬細胞均參與假體周圍骨溶解的發(fā)生發(fā)展。體外實驗發(fā)現(xiàn)，PMMA顆粒巨噬細胞向M1型分化并分泌TNF-α、IL-1、IL-6、iNOS等促炎性細胞因子及溶骨性介質，同時能產(chǎn)生趨化因子，募集1型輔助性T細胞(helper T cell 1,Th1)，促進強烈的Th1免疫反應，其最終的結果是炎性細胞的浸潤和破骨活動增強[27]。由M1型巨噬細胞釋放的細胞因子又能誘導巨噬細胞向M2型轉化并釋放一系列抗炎細胞因子，如IL-10、IL-4、IL-13和轉化生長因子β等。

3.2 假體周圍巨噬細胞的極化狀態(tài) 目前尚無證據(jù)直接證實假體周圍巨噬細胞的極化狀態(tài)，現(xiàn)有研究多是通過極化巨噬細胞的相關標記物推斷、假設得出的。有學者認為，假體周圍巨噬細胞極化狀態(tài)與巨噬細胞表觀遺傳學調控有關[27]。也有學者認為，巨噬細胞極化狀態(tài)可能受假體周圍局部微環(huán)境的調控，動態(tài)轉變成不同的表型[4]。體外實驗發(fā)現(xiàn)，將小鼠巨噬細胞與PMMA微粒共同培養(yǎng)后得到M1型巨噬細胞，添加IL-4繼續(xù)培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)M1型巨噬細胞轉化為M2型巨噬細胞，而僅受IL-4刺激的未分化巨噬細胞不會分化為M2型巨噬細胞[28]。在翻修假體周圍組織中M1型巨噬細胞占所有巨噬細胞的比例高于初次手術的患者，并且M1/M2比例明顯增高[29]。有證據(jù)表明，磨損微粒能誘導原始巨噬細胞極化為M1型巨噬細胞，并釋放TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-23等促炎因子[30-31]。Koulouvaris等[32]采用實時定量聚合酶鏈式反應法檢測松動的假體周圍M2型巨噬細胞相關標記物時發(fā)現(xiàn)，M2型巨噬細胞相關標記物幾丁質酶1和CC趨化因子配體18的表達增加，而M1型巨噬細胞相關標記物表達無明顯變化，提示在骨溶解的結束階段以M2巨噬細胞的活化為主。目前巨噬細胞在假體周圍的極化狀態(tài)仍存在爭議，多數(shù)學者認為在假體周圍骨溶解發(fā)生起始及發(fā)展階段以M1型巨噬細胞極化為主，而在終末階段以M2型巨噬細胞極化為主。

3.3 巨噬細胞極化與骨溶解的防治 巨噬細胞極化可能是除磨損微粒外引起假體周圍骨溶解的又一重要原因。不同表型的巨噬細胞具有不同的功能，M1型巨噬細胞傾向釋放溶骨性介質，促進假體周圍炎癥發(fā)展；M2型巨噬細胞具有抗炎、促進組織修復和機體恢復的作用。因此通過合理手段調控巨噬細胞極化可能是減輕假體周圍炎癥、抑制骨溶解的方法之一。研究發(fā)現(xiàn)，IL-4能抑制PMMA顆粒、脂多糖對小鼠單核巨噬細胞的刺激，減少巨噬細胞分泌IL-1、IL-6、TNF-α、M-CSF、iNOS等促炎性細胞因子，降低M1/M2型巨噬細胞比值；去除IL-4因素后M1/M2比值升高，骨溶解現(xiàn)象增強[33]。也有研究報道，IL-10能將巨噬細胞分化為M2型巨噬細胞，甚至能實現(xiàn)M1型巨噬細胞向M2型巨噬細胞的轉換[34]。IL-10對巨噬細胞極化狀態(tài)的影響可能與其對Janus激酶/信號轉導子和轉錄激活子(Janus kinase/signal transducer and activator of transcription,JAK/STAT)1和核因子κB p65信號通路的抑制和對JAK/STAT3信號通路的增強有關[35]。綜上研究表明，通過IL-4、IL-10調節(jié)巨噬細胞極化狀態(tài)，可能成為抑制假體周圍骨溶解的一種有效方法。

4 結 論

在固定良好的穩(wěn)定植入物中，磨損微粒是假體晚期無菌性松動的驅動因素。磨損微粒可激活假體周圍組織中的巨噬細胞并產(chǎn)生一系列細胞因子和其他炎癥介質。目前的證據(jù)表明巨噬細胞衍生的TNF-α是骨溶解發(fā)展中的關鍵因子。TNF-α可以增加成骨細胞RANKL和M-CSF的表達，并能誘導巨噬細胞向破骨細胞轉化。RANKL和M-CSF是導致破骨細胞前體擴增和分化成成熟破骨細胞的必需因子。假體周圍巨噬細胞表型和功能處于動態(tài)平衡中，不同的環(huán)境刺激物可觸發(fā)巨噬細胞向不同的方向極化產(chǎn)生M1及(或)M2型巨噬細胞。當M1型巨噬細胞占優(yōu)勢時促炎因子釋放，溶骨活動增強；當M2型巨噬細胞占優(yōu)勢時溶骨活動被抑制，利于骨形成。了解巨噬細胞在假體周圍骨溶解中的作用機制及假體周圍巨噬細胞極化狀態(tài)，將有利于為臨床防治假體松動提供新思路。