膝關節骨關節炎生物力學的研究進展

張啟棟，郭萬首★

（1.北京協和醫學院 研究生院，北京 100730；2.中日友好醫院 骨關節外科，北京 100029）

骨關節炎（osteoarthritis，OA）是一種以軟骨磨損為特點的退行性關節病，主要發生在中老年人，嚴重困擾人民健康，使至少10%的人喪失勞動能力。流行病學的研究估計，僅在美國大約有4300萬人受影響，全世界大約有15%人口受到困擾。它不僅給社會，也給患者帶來巨大的心理和經濟負擔[1]。OA通常被認為是一個多因素導致的關節病，包括機械應力增加、力線異常、軟骨退化、軟骨下骨改變和肌肉軟組織損傷。繼發滑膜炎也在OA發生發展中扮演了重要的角色，尤其在早期階段。生物力學在OA發生發展中的作用更是越來越受到人們重視。目前有研究指出，生物力學因素在OA發病中起到了瀑布效應[2]。本文將主要對OA發生發展的不同生物力學因素進行討論，現綜述如下。

1 生物力學

OA多發生于負重大的關節，尤其多見于膝關節。但有趣的是，膝關節解剖學關節面比踝關節要大，單位面積承擔的負荷要小 （500N負荷：踝關節350mm2，膝關節11120mm2），但其原發性OA比踝關節多發，而踝關節多為繼發性OA。出現這一現象，運動生物力學可能是其主要原因。膝關節通常被認為是鉸鏈關節。股骨內外側髁大小不等，類似凸輪結構，因此膝關節在屈伸活動中，不僅包含屈伸活動，還包括旋轉、前后滾動等運動。更重要的是，膝關節各區域表面軟骨厚度不一，脛骨外側平臺厚，內側薄。適當的機械負荷對維持生理關節的平衡提供必要刺激，而過度的機械負荷卻導致OA發生。在前十字韌帶損傷的患者，其膝關節生物力學變化更為明顯，其前后穩定性、旋轉穩定性破壞，局部軟骨承受的剪力和應力增大，因此前十字韌帶損傷的患者15年內60%～90%會繼發OA。OA患者，股骨在脛骨上的滾動幅度降低，伸膝時的鎖扣機制功能障礙，進一步會加重OA。

2 機械軸

下肢的機械軸或下肢力線被定義為從股骨頭中心向距骨中心劃線，此線通過脛骨平臺中央，大約1°內翻（中立力線0～2°）。膝關節的內側間室承載60%～70%的負荷。這種生理上的應力分配不平衡可能是導致內側間室軟骨退變的誘發因素。Sharma研究表明，內翻畸形導致內側膝關節OA進展風險3.59倍，而降低外側間室OA發生可能；外翻畸形增加外側間室OA風險4.85倍，而降低內側間室OA炎發生[3]。Felson等人對多中心骨關節炎研究發現，對于沒有影像學OA的患者，外翻＞3°增加OA發生風險2.5倍，若通過MRI檢查，則增加風險5.9倍，外翻畸形是增加外側間室OA發生發展的風險因素[4]。Moyer等人應用步態三維分析和站立全長X線進行評價，發現力線不正不僅對膝關節靜態負荷有影響，對膝關節動態載荷也是有明顯影響，每增加1°內翻，膝關節負荷增加3.2Nm[5]。

3 機械應力

膝關節在運動中反復、過度、重復的應力作用下，更容易出現軟骨破壞。Dabiri等研究發現，膝關節應力增加，退變關節軟骨的流體壓力降低，而剪切力增加，關節軟骨退變加劇[6]。Gardner等人應用大鼠進行動物模型研究，每增加10%體重內翻應力，脛股關節壓力峰值增加0.042MKp，內側間室軟骨退變加速[7]。Jones對美國馬薩諸塞州東部城鎮弗雷明漢的一個病例系列進行研究，152例影像學膝內翻者，90%于10年內進展為內側間室骨關節炎，而使用足墊減少內側間室應力，OA發生率降低4.84%[8]。

肥胖導致膝關節單位面積負荷增大，是目前公認的OA發病危險因素之一。Martin等人對1946年出生的人群為基礎的前瞻性隊列研究，分析2597膝，體重指數是OA最重要的危險因素[9]。Ackerman對5000例澳大利亞人的調查發現，肥胖明顯增加關節負荷，體重指數（BMI）為25～29.9kg/m2的超重者和BMI≥30kg/m2的肥胖者膝OA發病率較BMI＜25kg/m2的體重正常者明顯升高（OR 2.11，95%CI 1.07～4.15；OR 7.35，95%CI 3.85～14.02）[10]。

4 動態負荷影響

靜態負荷對OA病理生理學有著顯著的影響，但它們不能完全反映人們運動過程中產生的動態負荷。膝關節在運動、正常行走時所產生的動態負荷是站立時3～5倍，特別是在步行中和站起時，膝關節所受剪切力達最大[11]。Hall等人研究發現，爬樓梯明顯增加了膝關節內壓力峰值，從而導致膝關節OA[12]。Martin等人對2597膝的研究發現，男性長期從事高負荷、過度屈伸等工作，后期易發生OA[9]。動態負荷的研究需要通過使用關節內壓力測量設備測量，但在人體難以直接操作。然而，在動物模型中觀察到，過度的動態負荷可以導致軟骨破壞和OA進展[2]。

步態分析可以對膝關節動態負荷進行間接分析研究，其無創且可以較容易的重復，因此在人體研究中被廣泛采用。在步態分析中，視頻攝像頭和地面反作用力感受板記錄數據，將這些關節外“運動瞬間”負荷數據轉換成關節內部對應“運動瞬間”的數據，如扭轉力或旋轉力。它可以定量計算瞬間力和力臂對應的數值。內翻膝“內收時刻”（adduction moment，ADM）代表在膝關節內翻扭矩，由地面反作用力（ground reaction force，GRF）和由膝關節中心向地面的GRF向量距離決定。這些參數的任何改變，ADM都會受到影響。Yang等人在最近的一項研究表明，步態中站立相，膝關節軟骨的最大值應力和扭轉力與ADM峰值相關。在站立相早期和晚期，膝關節有一外翻瞬間，膝外側室受到一個最大壓應力。在步態中大部分時相（約25%～75%步態周期），膝處于內翻狀態，膝內側室受壓應力最大。此外，他們還發現，膝內翻患者與正常或膝外翻的患者相比，膝關節壓應力增加明顯[13]。Miyazaki等研究74例OA患者，發現每增加一個單位的ADM峰值，X線上內側間室OA進展風險增加6.5倍[14]。此外，Bennell等研究發現，ADM直接與影像學表現、軟骨損傷和疼痛相關[15]。ADM也存在一定的局限性，它只反映步態周期中具體時間的負荷情況，不能完全反映不同步態時期、不同行走速度和站立時相的全部運動狀態。有研究表明，降低ADM并不能降低內側間室應力[16]。

5 韌帶不穩定和肌肉無力

除了軟骨損傷，韌帶、肌肉和神經機械力學環境改變也是OA發生發展的重要因素。在膝關節OA中，經常可觀察到慢性韌帶松弛。韌帶的不穩定導致關節活動和旋轉處于病理狀態，從而增加對軟骨面剪切力。此外，膝關節內側或外側韌帶慢性不穩定，將導致后足內翻或外翻畸形進展，進而導致壓力分布異常和OA的進展加速。肌肉無力和感覺缺失也可以導致OA，且肌肉無力是導致OA出現癥狀的最主要也是最常見的原因[17]。OA也可以導致肌肉萎縮，本體感覺改變，步態異常。Stensrud報道，膝關節退行性半月板撕裂的中年患者大約50%存在股四頭肌肌力下降、下肢功能障礙，與未受傷的膝關節相比，二者差異在10%以上[18]。然而，是OA導致肌肉無力和萎縮，還是其導致OA，目前尚不明確。Peat等人觀察發現肌肉無力與髕股關節OA密切相關，其增加膝關節疼痛[19]。Slemenda等人觀察發現肌肉無力與關節間隙變窄相關，在老年婦女，其增加膝關節疼痛幾率和促進OA發展[20]。Jens研究表明，膝關節OA與膝腘繩肌肌力顯著相關。然而，疾病的嚴重程度沒有影響肌肉的強度和動態膝內側關節負荷的關系[21]。

6 生物力學和軟骨下骨

軟骨下骨可為關節軟骨緩沖部分膝關節沖擊載荷，因此軟骨下骨病變在膝OA發病生物力學過程中起著重要作用。Bellido等用動物模型對軟骨下骨進行研究，認為軟骨下骨的微結構改變與活躍的骨重建相關，促進了軟骨的退變。OA發生之初，軟骨下骨骨吸收活躍，發生骨質疏松，骨密度下降。由于關節負荷沒有減輕，為了維持力學性能，代償性地引起骨形成活躍。然而軟骨下骨異常的高轉換引起的新生骨組織礦化不全，故表現為骨量增加而單位體積骨密度下降。因此，OA軟骨下骨改變是以高轉換為背景的骨重建（骨吸收／骨形成）。應用甲狀旁腺激素，提高軟骨下骨微結構和重塑，對于防止兔早期軟骨損傷的進展有作用[22]。早期OA，軟骨下骨出現骨密度降低，然而在后期，放射學卻表現為軟骨下骨硬化和骨密度增高。通過評估軟骨下骨硬化骨密度表明，軟骨下骨密度可以預測軟骨缺損的發展等[22，23]。功能CT像研究，軟骨下骨在進展期OA呈現出負荷依賴性反應。軟骨下骨出現新的血管和神經纖維，也可能參與OA的發病機制和引起疼痛。軟骨下骨和軟骨之間的相互作用對OA發生發展至關重要，但目前還不清楚軟骨下骨損傷是導致軟骨損傷的原因還是后果。

7 生物力學和炎癥

關節炎癥是OA早期階段重要特征，大約50%的OA病例存在滑膜炎。從病理生理上講，滑膜炎導致致炎細胞因子分泌，如腫瘤壞死因子α、白細胞介素1（IL-1）、或白細胞介素（IL-6）。關節液中炎癥細胞因子平衡受損，誘導蛋白酶如金屬蛋白酶或聚糖酶分泌，導致軟骨退變和炎癥反應，一旦液體進入軟骨下骨，可導致軟骨下囊腫形成。基于體外機械負荷實驗，目前認為，壓力負荷損害導致蛋白多糖和膠原蛋白網損壞，從而軟骨損傷。炎癥細胞起反應，分泌炎癥介質，導致和引起滑膜炎[24]。除了滑膜，關節內脂肪體也可分泌促纖維化細胞因子如IL-6[25]。有趣的是，關節運動誘導的IL-10的表達是一個強有力的抗炎因子[26]。可能抗炎因子IL-10的表達缺乏，導致生物學反應不足，從而引起OA。因此，在OA發生發展過程中，不僅在產生炎癥，而且抗炎因子的缺乏也可能是其發生發展的重要原因。Messier等人報道，通過飲食及運動控制體重18個月后，可以降低膝關節OA患者IL-6水平[27]。

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