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运动医学分会---运动创伤的基础研究新进展

来源: 发布日期:2011-10-27 17:30:09浏览:6725次

 

于长隆

北京大学运动医学研究所

Recent Development of Basic Research in Sports Medicine

Yu Changlong

Institute ofSports Medicine,PekingUniversity

  Abstract With the development of other associated subjects, sport traumatology, as a important part of the sports medicine, has advanced rapidly and developed into the  most active field of medicine. The basic research of injuries of articular cartilage, ligament, meniscus, epiphysis and heterotopic ossification has greatly promoted the treatment of these diseases. Gene therapy, tissue engineering, and other new technology, such as RNAi, were used to explore novel prevention and treatment strategy for sports injuries,  and along with construction of tissue bank, meniscus allograft and reconstruction of ACL with tendon allograft have resulted in a satisfying clinical effect.

随着科学技术的进步,运动医学事业有了突飞猛进的发展,运动创伤学作为运动医学的主要部分,随着微创外科、影像医学、移植生物学和分子生物学、生物力学和康复医学的发展,无论在基础研究还是临床研究,都成为目前医学领域中最活跃的部分。软骨损伤、韧带损伤、半月板损伤和骨骺损伤的基础研究极大地促进了临床治疗的发展。   

一、关节软骨损伤的研究与治疗

1、在软骨细胞培养中,发现了软骨细胞的去分化(de-differentiation)现象,并用cDNA 原位杂交免疫组化法来证明,软骨细胞培养至第五代时,去分化成纤维细胞,说明培养的软骨细胞用作移植时,不能超过第二代。在骨关节炎的研究中证明退变的关节软骨中簇聚的软骨细胞多数为肥大软骨细胞,它不是终末细胞,有不对称的分化及去分化现象,IL-1 IL-1Ra 并存,凋亡与增殖(端粒酶表达)并存,这可能属修复适应机制。说明老年人骨关节病取其关节软骨的细胞作培养时,即使是肥大软骨细胞也可以使其去分化成可用以移植的软骨细胞。动物实验表明,去分化的软骨细胞对软骨损伤同样具有修复作用,在生长因子的刺激下,效果更好。关节软骨细胞内存在RNAi现象,而且NF-κB在创伤性骨关节炎的发生发展中发挥主要作用。这些发现为软骨细胞的培养、软骨损伤的基因治疗和软骨组织工程的实施奠定了基础。

2、在软骨损伤的修复与治疗方面,新鲜骨软骨块同体移植,关节镜下马赛克法修补大面积的软骨缺损,虽然在关节镜下及MRI观察效果满意,但因供体软骨来源缺乏以及缺损部位和移植的软骨块都有一定比例的变性和不愈合的裂隙,影响长期的手术效果。国外已有新鲜异体骨软骨块移植成功的报道,但在国内由于技术和社会诸多问题尚未开展,只处于试验阶段。随着大家组织库的建设和其他各种问题的解决,不久将会应用于临床。而硅胶修补软骨缺损,无论在实验研究还是临床研究,都取得了理想的效果。

3、随着立体旋转培养技术的应用和各种细胞支架的研究,已基本克服了自体软骨细胞移植的瓶颈,国外已将ACT技术应用于临床,取得了良好的结果。国内由于技术条件的限制,尚处在试验阶段。阎辉和于长隆等以聚乳酸( PLA) 为载体,将培养的不同的原代细胞:软骨细胞、骨髓基质细胞、成纤维细胞和脐带血干细胞,植入PLA 支架上,形成细胞- PLA 复合物,用来修复软骨缺损,研究发现软骨细胞和骨髓基质细胞移植修复软骨缺损明显优于成纤维细胞及对照组。余家阔等利用自体外周血干细胞联合骨膜移植修复软骨缺损,效果良好。目前大家正在进行软骨细胞库的建设,尽快将ACT技术在我国应用和推广。

4、在软骨损伤的基因治疗方面,实验证明,细胞因子,特别是IL-1βTNF-α在软骨损伤的初期发挥关键的作用。可以通过基因导入的方法,抑制上述基因的表达或阻滞上述细胞因子发挥作用,减轻软骨的损伤。张晓玲和于长隆等利用逆转录病毒载体介导IL-1RaIL-10基因体外共转染同种异体原代滑膜细胞,再将其注入骨性关节炎的兔膝中,证明双基因同时导入有明显的抑制软骨破坏和基质降解的作用。王海军和于长隆等利用腺病毒载体介导IL-1RasTNF-R基因直接注入骨性关节炎的兔膝中,可以明显抑制软骨的破坏和滑膜的炎症,而且证实了IL-1β在软骨的退变,TNF-α在滑膜的炎症过程中发挥作用,在骨性关节炎的发生发展中二者起协同作用。陈连旭和于长隆等利用RNAi技术,利用腺病毒载体将针对NF-κBp65基因的siRNA导入大鼠的骨性关节炎模型中,可以抑制NF-κBp65的表达,降低NF-κB的转录活性,抑制关节液内IL-1βTNF-α的分泌,减轻软骨的退变和滑膜的炎症。这是siRNA技术应用于运动创伤领域的先例。可以相信,在不久的将来,RNAi技术在运动创伤的基础研究和临床研究中将发挥越来越大的作用。

5、在基因治疗的过程中,载体的选择至关重要,虽然病毒载体感染效率高,但由于存在着免疫原性高,毒性大,目的基因容量小,制备复杂,又存在插入突变等缺点,非病毒载体的研究得到了进一步的研究。张晓玲、郁时兵和于长隆等利用壳聚糖将IL-1RaIL-10基因成功导入体外培养的软骨细胞和滑膜细胞,在兔的关节内可以抑制骨性关节炎的发生发展,并优化了各种反应条件。

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二、交叉韧带损伤的研究和治疗

1、传统观念认为,韧带组织属于致密结缔组织,细胞呈梭形沿韧带的受力方向排列在胶原纤维束之间,胶原以Ⅰ型胶原为主,Ⅲ型胶原构成不多于10%。根据蒋青的研究发现,交叉韧带不同于传统观念的骨骼韧带组织,具有类软骨的特性,甲苯胺蓝染色基质出现明显的异染。

2、交叉韧带重建后重建物要经过4个阶段:缺血坏死、血管重建、细胞增殖和塑形成熟期。从组织学形态来看,重建后2周重建物的表型为原移植组织结构,但组织中央成纤维细胞坏死,在重建物的边缘,可见圆形或卵圆形的细胞;重建后三周重建物结构仍与原移植物相似,边缘有明显的细胞增殖,细胞向胶原基质浸润,与原移植物比较,重建物细胞数目减少,形态多样,呈杆状或卵圆状;重建4周后细胞数目明显增多,接近交叉韧带的数目,分布均匀,细胞形态主要呈卵圆形;大约要经过半年以后表型为正常的交叉韧带。交叉韧带的止点分为典型的四层结构:纤维组织、纤维软骨、钙化软骨和骨组织,这种高度分化的止点结构主要起应力缓冲作用。重建后重建物上下止点的转归同样决定着整个韧带转归的好坏。大家的研究发现:骨-骨愈合在6个月时表现为间接止点,可见韧带组织有穿透纤维与骨组织相连,12个月时,重建韧带与骨组织之间有向直接止点转归的倾向,但没有形成直接止点的四层结构,没有潮线的形成;而腱-骨愈合在6个月时已形成波浪起伏的潮线,并在12个月时潮线具有明显的规律,四层结构清楚。

3、自体移植物应用比较广泛,但存在供区病损、返修术移植物来源缺乏等问题。异体移植在国外已广泛开展,而国内随着组织库的建立也发展开来。最早应用的是新鲜冰冻移植物,由于存在长期失败和疾病传播的风险,异体移植重建交叉韧带经历了一次低谷。后来引入了二次消毒方法,并对HIV的传播有了进一步认识,同种异体移植进入了发展稳定期。从移植物的转归看,异体移植与自体移植愈合过程相似,经历了植入物的坏死、细胞长入、再血管化和胶原重塑,最终被小胶原纤维与受体成纤维细胞形成新的韧带样结构所取代。

4、关节的韧带,特别是前、后交叉韧带的损伤,自体肌腱和异体肌腱重建交叉韧带已成为常规手术。实际上根据移植物到达体内的转归,无论是自体还是同种异体都大同小异,移植物都必须经过一个坏死-自身组织长入取代-塑形成为韧带这个过程,移植物只是起到支架作用。由于自身组织长入需要一段时间,在这段时间内移植物必须保持一定的张力,才能保证形成的韧带有力学功能。因此,如何使这个替代过程尽可能在较短时间内完成就成为重建前交叉韧带的关键环节。李峰和于长隆等利用基因治疗的方法,将逆转录病毒介导的血小板生长因子(PDGF)基因转入自体骨髓间充质干细胞,然后同同种异体的跟腱共培养,最后将跟腱移植关节内,重建交叉韧带,可以明显促进韧带的血管化,增加重建韧带的生物力学特性,加速韧带的成熟。实验结果证实,骨髓间充质干细胞和PDGF都可以促进移植物向正常韧带的转化,二者又协同作用。其他生长因子对韧带成熟的研究正在进行。

三、半月板损伤的研究与治疗

1、半月板是一种纤维软骨组织,血供较差,根据血供分布情况,临床上将半月板分为红-红区、红-白区和白-白区三个区。在其生物力学特性中主要对膝关节有利的,包括吸取震荡、分散应力、传导应力、改善关节润滑、改善股骨和胫骨之间的形态匹配和增加膝关节的前后稳定及旋转稳定等。但半月板的生物力学特性中也有不利的一面,如半月板内部胶原纤维排列方向决定的中部和内缘的结构薄弱及在膝关节屈曲扭转中半月板会产生矛盾运动等都增加了半月板损伤的危险性。

2、半月板异体移植手术已成为一种很成熟的手术方法,主要用在那些已经切除了半月板、而且在切除半月板以后膝关节已经发生退变并开始表现一定骨关节炎症状的患者。异体半月板移植可以重建这些患者已经丢失的半月板功能,防止膝关节变性或骨性关节炎的发生,并改善膝关节的症状和功能。国外通过大量的动物实验证明,异体半月板是可以成活的,而且是不存在免疫排斥反应的。成活的半月板在组织学和形态学方面均与受体半月板相似。但在临床移植过程中,半月板的形态匹配问题、储存方法和消毒方法等问题都会对临床效果产生影响。余家阔等在大量动物试验的基础上,成功地进行了国内异体半月板的移植手术,试验效果正在观察中。这不仅提高了我国在这一领域的学术地位,同时也促进了我所组织库的建设,而组织库的建设也为该手术的顺利进行提供了保障。大家还进行了半月板的组织工程研究,比较了成纤维细胞、骨髓基质干细胞和外周血干细胞对半月板损伤修复的作用。为了解决半月板的来源问题和形态匹配问题,开展了异种异体半月板移植的试验研究,用猪的半月板组织塑型后移植替代兔内侧半月板发现:短期内可以起到保护关节软骨的作用,术后24周,移植物大部分被破坏,关节软骨退变开始出现,但较半月板全切除组的软骨退变轻,起到了延缓关节软骨退变的作用。这为半月板的异种异体移植迈出了坚实的一步。

3、在CMI(collagen meniscus implant 胶原半月板移植)之前,人们尝试过许多材料制成的半月板假体,试图对完全和部分缺失半月板的膝关节,通过植入这些假体来重建正常半月板的功能,但因种种原因而失败。CMI是致力于通过胶原支架的作用诱导植入处的宿主细胞长入,再通过长入细胞的分化成熟,最终导致半月板缺失处的纤维软骨组织再生,从而修复半月板缺损。CMI在进入临床实验前经过了一系列的临床前期实验,研究表明,将各种生长因子和CMI合用是没有必要的,因为CMI植入处的血凝块可以释放各种细胞因子和生长因子。在半月板再生情况的研究中发现,修补局限性缺损的半月板的效果明显强于修补完整半月板的治疗效果。在狗的实验研究中,术后6月新生组织更加致密并有更多的纤维软骨组织出现,纤维软骨组织中的胶原纤维已经开始平行排列。这也为人工半月板的研究奠定了基础。随着材料学和组织工程学的发展,人工半月板的研究将得到进一步加强。

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四、骨骺损伤的基础研究

在肢体上存在两种骨骺,即受压骨骺和牵拉骨骺,二者具有明显的不同。受压骨骺位于长骨的骨端,承受由关节传来的压力。它是一个关节骨骺,它的骺板司长骨的生长,如果生长受阻,即影响肢体的长度及关节的外形。从骺板的纵切面上看,正常骺板可分为四层:静息层、生长层、转化层和化骨层。转化层又称钙化层,细胞肥大变性,基质内出现钙质沉着,继而细胞死亡。这一层由于细胞大,功能丧失,周围的软骨基质相对减少,损伤时容易折断。由于生长层和化骨层一般不折断,所以骺板骨折不影响生长。除非骨骺血管受伤生长层失去营养供应,或骺板垂直受压出现其他问题。骺板的周围有一层特殊结构,称为软骨膜环。它司骨的横径的增长,骨骺的急慢性损伤,变化较剧。

随着运动员的年轻化和竞技运动的复杂性,骨骺损伤以及交叉韧带损伤后手术往往要涉及骨骺的问题,因此对骨骺的研究需要加强,研究骨骺损伤后的处理,以及手术过程中如何避免损伤骨骺等问题。

五、异位骨化的基因治疗

关节周围韧带和肌肉的损伤,以及手术后处理不当等,容易引起异位骨化的形成,影响关节的运动功能,处理十分困难。实验研究证明,异位骨的形成起源于软组织内的间充质干细胞,其在特定的刺激因素作用下分化为成骨细胞。异位骨的发生有三个条件:间充质干细胞或前体细胞,刺激性因素和骨形成的适宜环境。间充质干细胞不能独自形成异位骨化,需要刺激性因子的存在。研究发现有许多因子参与异位骨化的形成,主要的刺激因子有骨形态发生蛋白(BMP)、胰岛素样生长因子(IGF-1)、转移生长因子(TGF)和催乳素(prolactin)等。此外还有一些没有确定的刺激因子。各种刺激因子之间的相互作用十分复杂,对其了解也很有限。BMP是众多因子中研究的较多的一个。在异位骨化的形成过程中, BMP在其中发挥关键作用,是否可以通过抑制BMP的作用而抑制异位骨化的形成?林霖和于长隆等首先通过切断跟腱,脱钙骨植入肌肉内,腺病毒携带的BMP-4注射入肌肉内,成功诱导异位骨的形成,制造了三种异位骨化的动物模型。然后利用RNAi技术,利用腺病毒载体,将针对BMP作用通路中的关键因子Cbfa1siRNA导入上述异位骨形成的模型中,可以显著抑制异位骨的形成。这不仅证明了Cbfa1在异位骨化形成过程中的作用,而且也是siRNA在异位骨化方面的首次应用。

参考文献

1 Zhang XL, Mao ZB, Yu CL. Suppression of early experimental osteoarthritis by gene transfer of interleukin-1 receptor antagonist and interleukin-10. J Orthopaedic Research, 2004, 22: 742-750.

2C.Lianxu,J Hongti,Y Changlong. NF-κbp65-specific siRNA inhibits expression of genes of COX-2,NOS-2 and MMP-9inrat IL-1β-induced and TNF-α-induced chondrocytes. Osteoarthritis and Cartilage, 2006,14:367-376.

3 Lin lin, Lianxu Chen, Haijun Wang, et al. Adenovirus-mediated transfer of siRNA against Runx2/Cbfa1 inhibits the formation of heterotopic ossification in animal model. Biochemical and Biophysical Research Communication, 2006, 349: 564- 572.

4Zhao Xia, Yu Shibing(co-author), Yu Changlong, et al.Transfection of primary chondrocytes usingchitosan-pEGFP nanoparticles. J Control Release, 2006, 112: 223-228.

5X. Zhang, M. Yang, L. Lin, P. Chen, K. T. Ma, C. Y. Zhou, Y. F. Ao: Runx2 Overexpression Enhances Osteoblastic Differentiation and Mineralization in Adipose - Derived Stem Cells in vitro and in vivo.  Calcif Tissue Int ,2006, 79:169-178.

6 Lin LIN, Xin FU, Lianxu CHEN, et al. Rat adipose-derived stromal cells expressing BMP4 induce ectopic bone formation in vitro and in vivo. Acta Pharmcologica Sinica, 2006, 27(12):1608-1615.

7Wang Haijun, Yu Changlong, et al. Suppression of early experimental osteoarthritis by direct adenovirus-mediated gene transfer. Chinese medical journal, 2006,119(16): 1365-1373.

8 Yu Changlong, Qu Mianyu,et al. Early articular cartilage changes in traumatic osteoarthritis. Journal of Orthopaedic Surgery, 1998, 6(1): 4147.

9 Mei Wang, Changlong Yu. Silicone rubber: an alternative for repair of articular cartilage defects. Knee Surg Sports Traumatol Arthrose, 2004,12:556-561.

10Hui YanChanglongYu. Repair of full-Thickness cartilage defects with cells of different origin in a rabbit model. The journal of arthroscopic and related surgry, 2007, 23178-187.

11LX.Chen, L.Lin, CL.Yu. Suppression of early experimental osteoarthritis by in vivo delivery of the adenoviral vector-mediated NF-kBp65-specific siRNA. Osteoarthritis and Cartilage, 2007, in press.

12傅欣,郁时兵,于长隆,等.IL1RaIL10真核表达质粒载体的构建及其表达检测.中国运动医学杂志, 2006, 251):54-56

13张晓玲,史须,于长隆,等.Chitosan-DNA介导关节基因转移的体外研究.中国运动医学杂志, 2003, 223):240243

14张晓玲,于长隆.骨性关节炎的联合基因治疗.中国运动医学杂志, 2006, 251):5-8

15陈连旭,傅欣,于长隆,等.内侧副韧带切断合并部分半月板切除对大鼠膝关节软骨、滑膜和细胞因子的影响.中国运动医学杂志, 2006, 256):655-657

16闫辉,于长隆,王梅,等.异体脐血干细胞移植修复兔全层关节软骨缺损的初步研究.中国运动医学杂志, 2003, 224):331-336

17郁时兵,赵霞,于长隆,等.壳聚糖载体介导的骨关节炎基因治疗.中国运动医学杂志, 2006, 252):133-137

18王海军,于长隆,岸裕幸,等. IL - 1 TNF - α拮抗剂治疗骨关节炎实验研究.中国运动医学杂志, 2006, 254): 5551-555

19张晓玲,于长隆,毛泽斌,等.逆转录病毒载体PLXRN 介导的人IL-1Ra 在关节滑膜细胞中的表达.体育科学, 2005, 257):21-241

20傅欣,林霖,于长隆,等.切断Sprague-Dawley 大鼠跟腱诱导异位骨化实验研究,中国运动医学杂志, 2007, 26:(1):2428

21闫辉,于长隆.不同细胞移植修复兔全层关节软骨缺损的比较研究.中国运动医学杂志, 2003, 223):234-239

22王梅,于长隆,闫辉,等. 硅橡胶植入对关节软骨123型胶原合成的影响.中国运动医学杂志, 2003, 223):228-233

23谢兴,张继英,傅欣,等.异种异体半月板移植延缓关节软骨退行性变的研究.中国运动医学杂志, 2006, 253):290-293

24谢兴,余家阔,张继英,等.异种异体和同种异体半月板移植术后兔半月板和关节软骨中IIIIIIX型胶原表达和免疫排斥研究.中国运动医学杂志, 2005, 241):4-8

25余家阔,谢兴,张继英,等.异种异体和同种异体半月板移植修复兔膝关节半月板缺损的预后研究.中国运动医学杂志, 2004, 236):604-608

26张继英,傅欣,谢兴,等.人体骨-髌腱-骨及半月板移植物浸提液的细胞毒性研究.中国运动医学杂志, 2006, 255):556-558

27余家阔,于长隆,敖英芳,等.关节镜辅助下同种异体半月板移植.中国运动医学杂志, 2007, 263):261-265

 

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