人工全髖關節翻修術患者血清鈷鉻離子濃度與局部組織病理變化的關系

顧建明 馮嘯 宮麗華 丁宜 周一新

雖然隨著技術的發展出現了很多生物可降解材料，但金屬材料仍然是關節外科領域不可替代的材料。金屬人工關節植入人體后，不可避免地會在人體內發生一些理化及生物學反應，出現金屬釋放效應[1]。人工全髖關節翻修術的主要原因仍是無菌性松動、假體周圍感染等，而翻修術中經常會遇到軟組織纖維化、壞死等損傷情況，嚴重者可見大片壞死出血病灶，骨溶解甚至坐骨神經等周圍重要組織的損傷。這與常見的聚乙烯顆粒相關的骨溶解不同，金屬碎屑釋放以及隨后對局部骨和軟組織的損傷屬于局部不良組織反應(adverse local tissue reactions，ALTRs)[2-3]。這種ALTRs主要表現為無菌性淋巴細胞為主型血管炎相關病變(aseptic lymphocytic vasculitis-associated lesions，ALVAL)[4]。雖然這些局部反應并非惡性，但其可能導致顯著的局部軟組織破壞和骨溶解[5]，帶來疼痛、關節不穩定等癥狀。軟組織破壞和骨溶解也會使關節翻修手術更為復雜，增加術后并發癥發生風險[6]。目前ALVAL的診斷主要通過翻修術中假體周圍組織的病理檢查，使用Campbell-ALVAL評分難以在翻修術前獲得明確診斷[4]。金屬離子除了引起局部反應外，進入血液中的金屬離子可能會導致甲狀腺功能障礙等其他臟器的毒性損害[7]。有研究顯示ALVAL的發生與血金屬離子水平升高相關[8]，本研究旨在研究本中心髖關節翻修患者中血清鈷、鉻金屬離子水平在診斷假體周圍ALVAL中的作用。

資料與方法

一﹑資料

納入2015年1月至2018年9月行人工髖關節翻修術且術前檢測血清鈷、鉻離子濃度均高于梅奧診所參考標準(鈷離子<0.9 μg/L，鉻離子<0.3 μg/L)[9]，其他部位無含鈷鉻鉬材料的內植物，除外假體周圍骨折、假體周圍感染及復發性脫位的患者共17例[10]。其中男9例，女8例，左髖7例，右髖10例。年齡(59.2±7.7)歲，身高(165.4±6.9)cm，體質量(64.9±8.4)kg，體質量指數(BMI)(23.8±3.2)kg/m2。人工髖關節翻修手術原因：無菌性松動16例，1例骨溶解假體未松動。翻修術前假體置入時間(145.3±84.5)個月，假體金屬對金屬界面(metal-on-metal,MOM)為5例，其余12例為鈷鉻鉬金屬頭-聚乙烯界面(metal-on-polyethylene,MOP)。MOP組中水泥臼杯2例，鈦合金臼杯10例，鈷鉻鉬合金柄4例，鈦合金柄8例。

二﹑方法

1.實驗室和金屬離子濃度檢測：患者術前血漿沉降率(erythrocyte sedimentation rate，ESR)和C反應蛋白(C-reactive protein,CRP)。術前空腹狀態下抽血，分離出血清后將樣本放入冰箱冷凍保存，送檢至北京大學醫學部毒理學系，測定血清鈷、鉻離子濃度。應用動態反應池(dynamic reaction cell，DRC)的電感藕合等離子體質譜(inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)技術檢測[11]，使用儀器為美國Elan DRC II ICP-MS儀器。血清離子濃度以梅奧診所的參考范圍為標準[9]。

2.病理學檢查：髖關節翻修術中取假體周圍組織樣品，用于病理組織學檢查。將樣品固定在10%中性甲醛，石蠟包埋，3 μm切片并常規HE染色。部分質硬標本經98%甲酸與10%甲醛按以1∶1比例配制脫鈣液，對標本進行脫鈣處理。所有手術標本組織病理切片均經2位病理醫師審核報告并進行ALVAL評分。應用Campbell-ALVAL評分系統評分，分值在0～10之間，基于3種組織形態分類：滑膜襯覆(0～3分)，炎細胞浸潤(0～4分)以及組織機化(0～3分)。

3.統計學處理：使用Excel 2016 建立數據庫，應用 SPSS 20.0 統計軟件分析，符合正態分布資料使用t檢驗，不符合正態分布資料使用兩個獨立樣本的Mann-WhitneyU檢驗和Wilcoxon符號秩檢驗,連續變量和等級變量之間相關性應用雙變量Spearman相關性分析，P<0.05為差異有統計學意義。

結 果

一、實驗室和金屬離子濃度檢測

17例患者術前ESR為(17.8±16.5)mm/h，CRP為(39.9±32.0)mg/L，血清鈷離子濃度(4.0±3.6)μg/L，鉻離子濃度(3.9±3.9)μg/L；術前Harris評分(58.1±14.8)分，術后隨訪時為(84.4±6.9)分，Wilcoxon符號秩檢驗Z=3.061，P=0.002。

二、病理ALVAL評分

患者ALVAL評分4分1例(圖1)，5分1例，6分6例，7分7例(圖2)，8分1例，9分1例(圖3)。MOM組分別為6分2例，7分3例；MOP組為4分1例，5分1例，6分4例，7分4例，8分1例，9分1例。3例于術中觀察到明顯的軟組織壞死、出血、嚴重骨溶解情況(圖4)。兩組術前ESR、CRP和假體植入時間以及ALVAL病理評分間差異無統計學意義，但是MOM組的血清鈷、鉻離子濃度顯著高于MOP組(表1)。

三、患者血清鈷、鉻離子濃度與病理ALVAL評分的Spearman相關分析

鈷、鉻離子濃度與病理ALVAL評分間無相關關系，而鈷離子和鉻離子濃度之間存在顯著正相關關系(r=0.836，P<0.001)。將MOM組和MOP組分組單獨分析也顯示相同結果(表2)。

討 論

一、人工關節相關的金屬釋出對假體松動的影響

人工關節相關的金屬釋出問題主要是在MOM假體的研究中發現的。早期的MOM假體因制作工藝不完善，只有少數在位時間較長，多數假體因松動而失敗[12]。雖然隨著技術和材料的進步假體生存率有了明顯的改善，但是假體松動仍然是翻修的主要原因[13-15]。其松動原因與金屬離子的釋放有一定關系，鈷、鉻金屬離子即使并非骨溶解的主要啟動因素，但因其可以促進細胞因子的釋放和趨化，也會加速骨溶解的進程[16]。Ebramzadeh等[12]分析了433例MOM髖關節翻修的失敗模式，其主要翻修原因為假體的無菌性松動，與其相似，本組患者的主要翻修原因也為無菌性松動。值得關注的是Ebramzadeh等的研究中有20例患者是因為可疑金屬過敏相關的組織損傷而行翻修。這種金屬相關的骨溶解不僅在人工關節附近會發生，脊柱內固定相關的金屬離子釋放也同樣會導致骨溶解[17]，需要手術干預。

圖1Campbell-ALVAL評分4分。滑膜襯覆部分缺失，可見少量巨噬細胞聚集，纖維組織增生(HE×20)

圖2Campbell-ALVAL評分7分滑膜被覆缺失，可見纖維組織增生，以巨噬細胞增生為主(HE×15)

圖3Campbell-ALVAL評分9分滑膜被覆缺失，可見大量淋巴細胞、漿細胞浸潤，灶狀纖維組織增生伴玻璃樣變性(HE×15)

本研究中的MOM假體直接翻修原因均為髖臼側假體松動。金屬對金屬假體和金屬股骨頭的成分為鈷鉻鉬，鈷、鉻的質量比約2∶1，所以有金屬碎屑產生時二者的離子均會釋放入血。MOM假體金屬離子的來源主要在于摩擦界面的機械磨損下的細小金屬微粒，釋放離子入血造成血金屬離子濃度升高[7, 18-19]。近年來，越來越多的研究發現除MOM外，使用MOP假體的患者術后也會出現血鈷、鉻離子濃度的升高[20-21]。但不同的是，MOP界面的假體離子濃度升高的比例及幅度均小于MOM假體[22]。在本研究中，患者的翻修原因主要為假體松動，沒有假體穩定但因為金屬過敏而直接進行翻修的病例，說明在出現明顯骨溶解或假體松動前發現金屬離子的局部不良反應仍然存在難度。本研究中離子濃度升高的MOP假體顯著低于MOM假體組，其原因還是在于MOM假體的摩擦界面較大，比其他界面能夠釋放更多的金屬離子，更易造成血金屬離子濃度的升高。

圖4金屬對金屬人工全髖關節置換術后7年AX線顯示髖臼假體松動移位，髖臼外上骨缺損，股骨未見移位，Gruen 1區骨溶解灶B切開深筋膜可見關節囊周圍大量壞死病灶以及陳舊出血C坐骨神經以及周圍軟組織變性、纖維化

表1 MOP組和MOM組檢測項目的比較

表2 血清金屬離子濃度和ALVAL評分Spearman相關性分析

二、血清金屬離子濃度升高的患者檢測

金屬離子升高的患者可能出現ALTRs，如疼痛、關節周圍腫脹、活動度減低等，其與感染的鑒別相當困難。Plummer等[23]報道80例MOM假體翻修術前ESR和CRP平均值為17.2 (1.0～108) mm/h，正常上限27 mm/h和12.7 (0.03～199.5)mg/L,正常上限8 mg/L，需要結合關節穿刺細胞計數、培養才能進行鑒別，但是由于軟組織異常反應情況的存在，關節內可能壞死、充血、甚至有膿樣液體，使得排除感染相當困難。該研究經分析后認為關節液中淋巴細胞占比39%可以獲得69%的曲線下面積值(AUC，中等診斷效力)。對于27例頭頸結合處微動相關的ALTRs的髖關節翻修病例的研究也顯示有40%～50%的患者ESR、CRP是升高的，關節液穿刺中白細胞計數也有6例患者升高，血清鈷離子濃度平均為11.2 μg/L，鉻離子濃度為2.2 μg/L[6]。本研究除外假體周圍感染的患者，納入患者的術前CRP值均在正常范圍內，僅3例患者ESR升高，與納入標準較嚴格及患者數量少有關。

三、血清鈷、鉻離子濃度和局部組織病理損傷程度的相關性

目前，顯微鏡下病理學檢查是診斷ALVAL的唯一標準。ALVAL屬于遲發型過敏反應(Ⅳ型)，鏡下可見壞死灶，淋巴細胞、漿細胞、嗜酸性細胞聚集。Campbell等[4]于2010年建立了Campbell-ALVAL評分系統，該評分系統可以對假體周圍的軟組織損傷情況進行較為客觀的定量評估。有報道血清金屬離子水平升高與假體周圍ALTRs的發生之間有很強的相關性[24]。但是本研究結果并未顯示MOM組或MOP組患者術前血清鈷、鉻離子濃度和局部組織病理損傷程度的相關性。一方面，血清金屬離子濃度是金屬間摩擦、釋出的一個信號，不能反映假體周圍軟組織的金屬離子濃度。McGrory等[25]研究納入20例髖關節翻修患者，16例為臨床有癥狀且股骨柄錐度處有腐蝕的患者，其血清鈷、鉻離子濃度分別為5.1 μg/L和1.3 μg/L，顯著低于關節液的鈷、鉻離子濃度(940 μg/L和491 μg/L)。另一方面，Campbell等[26]也證實了雖然有的患者假體磨損嚴重，但ALVAL評分較低，金屬反應卻不大；鏡下表現為金屬顆粒較多，巨噬細胞多而淋巴細胞少，而ALVAL評分高的患者都是懷疑對金屬過敏者，提示ALTRs雖然在嚴重磨損的病例中可能發生，但更主要的原因也在于患者對金屬的高敏感性。Plummer等[23]對80例MOM假體翻修術的研究中也沒有發現血清金屬離子濃度和病理ALVAL評分之間的相關性。對31例雙錐度全髖關節置換術患者行翻修術的研究資料也顯示了類似結果[27]。因此，還需要結合體表的斑貼實驗，淋巴細胞轉化實驗等方法來進行術前評估。但是這些方法仍存在準確率低、體表實驗難以反映體內環境等問題，術前高危患者的識別仍然主要依賴明確的金屬過敏史。盡管血清金屬離子濃度可能與ALTRs的嚴重程度無直接關系，仍有應用離子濃度升高來發現和診斷組配型假體間發生異常活動的報道[28]。Savarino等[29]也報道了血清鉻離子濃度的升高也可以作為膝關節假體松動的標志，可以獲得71%的準確率。所以金屬相關的局部不良反應是多因素共同作用的結果，血清金屬離子水平并不是ALTRs和ALVAL的獨立作用機制，也不適合單獨作為ALTRs和ALVAL的預測指標及翻修手術適應證選擇，應當結合病史、體格檢查、實驗室檢查、影像學檢查等綜合判斷。

本研究為一項回顧性研究，納入的病例數量相對較少。其次，本研究中納入翻修患者的假體品牌多樣，導致入組患者均一性欠佳，未進行統計分析。由于條件所限，本研究并未對取出假體進行詳細分析。術中未能采集關節液鈷、鉻離子濃度，外周血的濃度難以反應假體周圍局部情況。