髕下脂肪墊在膝關節骨關節炎發病機制中作用的研究進展

劉倫,王云鷺,李錫勇,韓鵬飛,張鵬,李曉東*

(1.長治醫學院研究生院,山西 長治 046000;2.長治醫學院附屬和平醫院骨科,山西 長治 046000;3.長治市第二人民醫院關節外科,山西 長治 046000)

膝骨關節炎(knee osteoarthritis,KOA)是一種比較常見的慢性關節病,伴有慢性的關節炎癥、關節軟骨的退變和邊緣骨贅的形成。KOA主要表現為膝關節的持續疼痛,伴有不同程度的活動受限,嚴重影響人們的生活質量和日常活動。關于KOA的研究一直是骨科研究領域的熱點。髕下脂肪墊(infrapatellar fat pad,IFP),又稱Hoffa脂肪墊,因著名外科醫生Albert Hoffa在1904年首次描述其解剖結構而得名,位于股骨髁、脛骨平臺、髕骨與髕腱之間,組織結構上主要為脂肪細胞。過去IFP的主要作用是起到緩沖以及潤滑的功能,然而最新的研究表明,IFP可能通過與滑膜、關節軟骨和軟骨下骨的相互作用,參與KOA和IFP的發生發展。有關IFP與KOA關系的流行病學調查較少,IFP在KOA中的作用尚不清楚。隨著KOA數量的增加,人工全膝關節置換術(total knee arthroplasty,TKA)的數量也不斷增加,而IFP的術中處理,即保留IFP還是部分切除IFP成了爭議點[1]。本文從解剖學和功能方面介紹了IFP,以及IFP在KOA發生發展中的作用,并詳細討論了不同手術方式對術后臨床預后的影響。

1 IFP的解剖與功能

1.1 IFP的解剖 IFP位于股骨髁、脛骨平臺、髕骨與髕腱之間,填充于膝關節前方的空隙,是位于關節囊內和滑膜外的結構,有著豐富的血運和神經支配。IFP的血運主要是由膝上動脈和膝下動脈的分支供應的,形成的血管網下半部分穿過IFP,并供應部分髕骨。IFP前外側的神經支配主要來自股外側神經、脛神經和腓總神經,前內側由隱神經、脛神經、閉孔神經、股內側神經的分支支配。IFP內有著S100和P物質陽性神經末梢構成的高密度感覺神經纖維,這是導致膝前痛的原因。P物質陽性神經纖維約占IFP神經支配的1/4。IFP釋放的P物質不僅介導疼痛,還可通過旁分泌的方式促進多種細胞分泌白細胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-6和IL-8引起促炎作用[2]。與P物質相反,各個感覺神經纖維分泌的降鈣素基因相關肽具有舒張血管的作用,這可能導致滑膜增厚或滑膜炎。IFP還含有交感神經纖維,往往通過釋放內源性阿片類物質、去甲腎上腺素和抑制P物質的釋放而產生與感覺神經纖維相反的作用,從而起到對抗術后IFP纖維化和鎮痛效果[3]。與保守治療的KOA患者相比,在TKA術后膝前痛的患者中,IFP的感覺神經支配優于交感神經支配,這可能是導致TKA術后膝前痛和局部炎癥持續和加劇的原因。

1.2 IFP的功能 IFP的基本功能是分泌滑膜液、促進潤滑,在運動中可以起到穩定髕骨、保護膝關節免受機械損傷的作用。IFP的壓力和體積可以隨著膝關節運動而變化,當極度屈膝時,IFP的組織壓力增高,同時提高了髕骨的穩定性。IFP還是髕腱和脛骨平臺之間的減震墊。IFP可以抗機械應力,當膝關節屈曲<20 °或>100 °時,IFP的壓力增加,而這也增加了膝前痛和Hoffa綜合征的風險。過度的壓迫、組織缺血和IFP反復損傷導致的慢性撞擊是導致Hoffa綜合征的主要原因。這類患者的IFP表現為局部炎癥、肥厚、纖維化和撞擊,從而導致結構退化,出現膝前痛、功能受限、關節積液或髕周腫脹等癥狀。IFP的脂肪細胞隨年齡增長而增大,較為堅硬的Ⅰ型膠原纖維同樣增加,而較為柔軟的Ⅲ型膠原纖維減少,這表明隨著細胞衰老IFP的彈性性能降低[4]。

2 IFP在KOA發病機制中的作用

最新的研究表明,IFP可能在KOA的發生發展中起作用[5]。從結構和功能來看,IFP是由滑膜組織進化而來的,這表明IFP與滑膜以及關節囊之間存在著廣泛的聯系。因此,IFP和滑膜應被視為一個解剖學功能單元,而不是僅僅相互溝通的兩個獨立結構[6-7]。

KOA患者的IFP組織與健康組織的免疫組化結果相比差異有統計學意義,比如:纖維化增加,血管化增加,淋巴細胞浸潤增多,生長因子和細胞因子如血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和單細胞趨化蛋白1(monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)水平升高[8]。兩個臨床表現和影像學診斷的相似KOA患者,在TKA術中切除的IFP切片卻表現出了不同程度的纖維化,這種差異可能取決于多種因素,IFP纖維化等組織學變化可能通過修飾細胞因子產生促進KOA的進展。細胞因子的產生也可能改變IFP的生物力學特性,從而損害其減輕膝關節壓力的能力,促進和持續加重關節損傷[8]。

生物力學研究表明,與健康對照組相比,KOA患者IFP的硬度增加,因而失去了通過周圍組織結構重新分配壓力的能力。健康IFP脂肪小葉周圍的應力是均勻分布的,而KOA患者相反,并且脂肪小葉硬度增加,導致整體硬度增加。此外,KOA IFP組與正常對照組的結締組織的分布模式和顯微結構也不同。健康的IFP顯示沿纖維方向的拉伸應力是均勻分布的,這表明纖維可能具有抗扭轉的能力。相比之下,KOA IFP組患者由于纖維在小葉間隔內的隨機分布,導致拉伸應力不均勻,進而造成對周圍軟組織比如髕腱、半月板和滑膜的損傷[9-10]。

2.1 病理生理 IFP細胞中脂肪細胞占到了絕大多數,其次還有成纖維細胞、免疫細胞、巨噬細胞(促炎M1巨噬細胞和抗炎M2巨噬細胞)、肥大細胞(mast cell,MC)和淋巴細胞。IFP的不同組織和細胞成分可以分泌多種細胞因子、脂肪因子和生長因子。這些因子又反過來影響細胞間的相互作用,造成持續的局部炎癥反應,同時也可誘發神經性疼痛和慢性神經源性炎癥。

細胞因子:IFP中的免疫細胞可以分泌多種細胞因子。在KOA患者中,IFP中白細胞介素(interleukin,IL)-6及可溶性白細胞介素6受體(soluble interleukin 6 receptor,sIL-6R)的水平明顯高于皮下脂肪組織。IL-6可以通過旁分泌的方式影響其他關節成分(滑膜、關節軟骨、軟骨下骨),從而在KOA的進展中發揮重要作用[8]。經典的IL-6信號通路通過抑制人軟骨細胞中蛋白多糖的合成而導致膝關節軟骨溶解。此外,IL-6也可以抑制Ⅱ型膠原的再生,促進IL-1β介導的蛋白多糖變性,誘導多種金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)和含血小板結合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs,ADAMTSs)的表達,進而介導軟骨變性[11]。IL-1β可以通過上調聚蛋白多糖酶和MMPs,誘導抗炎介質,降低軟骨細胞外基質的合成來分解軟骨細胞[12]。此外,IFP中的促炎性細胞因子如腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α和IL-1β,抗炎性細胞因子如IL-4、IL-10和前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2),即使在正常濃度下也可促進KOA的發展[13]。

脂肪因子:IFP中脂肪細胞分泌的脂肪因子,例如:脂聯素、瘦素、抵抗素、內脂素、脂聯素在抗炎過程中起到重要的作用,它參與調節糖脂代謝,有抗糖尿病和抗動脈粥樣硬化的作用。它促進M2巨噬細胞產生抗炎細胞因子IL-10,并與凋亡細胞結合,從而促進巨噬細胞攝取IL-10。吞噬凋亡細胞反過來又促進M2巨噬細胞的分化,使脂聯素保護機體免受局部和全身炎癥的影響。現有研究表明,KOA患者血清中的瘦素濃度升高,它可以刺激軟骨細胞合成降解軟骨的MMPs和促炎細胞因子。抵抗素不是由IFP分泌的,而是由成人的單核細胞和巨噬細胞產生的,可以導致軟骨結構的損傷。而脂肪酸結合蛋白4(fatty acid-binding protein 4,FABP4)[14]、WNT1誘導的信號通路蛋白2(WNT1-inducible signaling pathway protein 2,WISP2)和chemerin[13]主要發揮促炎的作用。與健康人相比,KOA患者IFP中的促炎性脂肪因子如瘦素、FABP4、WISP2和chemerin水平較高[15]。FABP4主要在巨噬細胞和脂肪細胞中表達,促進脂肪細胞內游離脂肪酸的轉運,從而在代謝性疾病的發病中發揮重要作用[16]。現有研究表明它與骨關節炎具有相關性,因為其表達增加與骨關節炎的嚴重程度相關[17]。WISP2是CCN家族的一種基質細胞蛋白,在細胞增殖、細胞外基質和組織調控與再生、血管化和纖維化中發揮作用[18]。Chemerin在白色脂肪組織中表達,與能量代謝有關,促進葡萄糖攝取、脂肪分解和脂肪細胞分化,并促進促炎性細胞因子和軟骨溶解性MMPs的產生[19]。

生長因子:VEGF是新生血管生成的介導因子,參與了包括KOA在內的炎性關節疾病的發生發展。在KOA患者與健康對照組的對比中,KOA患者的VEGF表達更高,VEGF水平與滑膜血管化程度呈正相關,進一步證實了IFP與滑膜之間的相互作用[8]。事實上,VEGF可以通過增強炎性細胞的侵襲力和促進局部疼痛受體的表達而促進組織損傷和疼痛的發生[20]。成纖維細胞生長因子-2(fibroblast growth factor-2,FGF-2)在關節軟骨穩態中的作用存在爭議。一方面,FGF-2可以誘導軟骨蛋白聚糖降解并抑制軟骨細胞內蛋白聚糖的持續積累。FGF-2能有效地拮抗蛋白聚糖的合成,誘導關節軟骨中Ⅱ型膠原降解酶MMP-13,促進軟骨溶解因子和促炎因子如ADAMTS-5、P物質和TNF-α受體的表達。另一方面,FGF-2可以通過抑制IL-1誘導的軟骨變性及軟骨溶解性ADAMTS-4和ADAMTS-5的表達而發揮抗炎作用。轉化生長因子β(transforming growth factor β,TGF-β)也存在類似的觀察結果。TGF-β負責調節細胞增殖、組織形成、修復和炎癥等一系列過程,并維持正常軟骨中分化的軟骨細胞表型[21]。然而它在健康或疾病狀況的作用是不同的,這取決于其濃度和暴露時間。IFP中參與KOA發生發展的細胞和分子成分見表1。

表1 炎性因子和單個核細胞在OA的發生發展中的作用

2.2 免疫作用 當觸發促炎狀態時,循環免疫細胞外滲到IFP和滑膜中,后者分泌的前列腺素和IL反過來又通過吸引淋巴細胞到內皮細胞,并促進其遷移到周圍的IFP和滑膜中來,促進免疫細胞進一步外滲。此外,P物質的釋放促進了神經源性炎癥,進一步趨化和舒張血管[22]。先天免疫系統和適應性免疫系統啟動的免疫反應在KOA的發病中起著重要作用,它在軟骨損傷后被激活的[23]。關節組織細胞外基質(extracellular matrix,ECM)的創傷性損傷是由于連續或重復過度使用以及有規律的老化過程所致的微損傷,這些結構變化引發損傷相關的分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs),進而激活先天免疫系統。DAMPs通過與免疫細胞表面的模式識別受體相互作用而啟動炎癥過程。

巨噬細胞是先天免疫系統的重要細胞類型,它與KOA的發生發展具有較高的相關性[24]。巨噬細胞最主要的是M1和M2巨噬細胞,其分泌特征取決于各自的亞型。依賴T輔助細胞1型分化的M1巨噬細胞通過產生促炎細胞因子(即IL-1β、TNF-α、IL-6和IL-12)和釋放促纖維化介質,如結締組織生長因子(connective tissue growth factor,CTGF),在較長時間內促進炎癥反應。隨著MMPs和蛋白多糖降解ADAMTS-4和ADAMTS-5,巨噬細胞釋放催化酶,進而導致軟骨組織退化。而依賴T輔助細胞2型分化的M2巨噬細胞主要分泌具有抗炎作用的IL-10,與M1巨噬細胞分泌的促炎細胞因子達到平衡。M2巨噬細胞中多個過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor,PPAR)上調基因的轉錄,從而促進Arg1和IL-1受體拮抗劑的表達。PPARγ通過激活脂肪細胞,調節糖脂代謝,抑制關節軟骨組織炎癥,促進脂肪細胞分化,刺激脂聯素分泌。此外,與早期KOA和對照組相比,終末期KOA中PPARγ基因和蛋白的表達增加。相反,PPARγ基因在IFP中的表達低于皮下脂肪組織,這表明PPARγ驅動的抗炎機制可能與KOA的發生發展有關。

與類風濕性關節炎相比,KOA患者的滑膜組織中MC隨著Kellgren-Lawrence分級的增加而增加[25]。最近的一個創傷后OA小鼠模型中,MC轉移到缺乏MC的小鼠中會導致軟骨破壞加重,而抑制MC可防止軟骨變性[26]。此外,抑制MC類胰蛋白酶也可防止軟骨變性,這表明蛋白酶會破壞軟骨[26]。事實上,在體外實驗中,MC類胰蛋白酶通過激活潛在的MMP-3和MMP-13而破壞軟骨。由于IFP與皮下脂肪組織或健康IFP與KOA相比,B細胞的濃度沒有明顯的變化[7,22],因此IFP內存在的B細胞在KOA的發生發展中的作用不大。

2.3 IFP衍生間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)的作用 在高度血管化的IFP中,大量的MSCs以血管周圍細胞的形式存在[7]。因IFP來源的MSCs容易獲得,體外增殖快,成軟骨分化能力強而獲得了廣泛的應用[7]。研究表明,MSCs的分化能力可能與起源組織有關。IFP組織在關節內的位置及其與關節軟骨的解剖關系為IFP-MSCs提供了強大的軟骨分化能力[7,27]。除了利用IFP-MSCs進行軟骨移植外,必需功能性可溶性因子介導的IFP-MSCs的治療作用也有廣闊的應用前景。這些因子是由細胞外囊泡(extracellular vesicles,EV)中的IFP-MSCs分泌的,可作為無細胞MSC療法促進軟骨再生。在這種療法中,30～150 nm的外泌體是比較合適的,因為它們在多種生理條件下的穩定性都較強。外泌體的功能是一種細胞間通訊手段,將生物活性脂質、核酸或蛋白質從供體細胞轉移到受體細胞,以實現生物代謝過程或促進細胞間相互作用[28-29]。另外,EV在治療肌肉骨骼疾病的治療方面具有很大潛力[29]。

3 手術切除IFP在TKA中的作用

按照現在的手術標準,為了擴大術野,大多數TKA手術中IFP被切除或部分切除[1]。目前TKA臨床預后依然存在爭議,沒有明確指南表明術中應該切除或保留IFP[1,30]。來自英國的一項研究顯示:23.1%的IFP被切除,62.4%的IFP被部分切除,9.8%的IFP被保留,這些組之間的術后滿意度并無差異[1]。鑒于這種低IFP保留的手術率的情況,最近的一項動物實驗研究表明,保留IFP可能對KOA的發展有負面影響[31]。在嚙齒類動物模型中去除IFP后的豚鼠,幾個月后在先前切除的IFP的部位形成了纖維結締組織,比較切除IFP和保留IFP的膝關節,觀察到切除IFP的膝關節軟骨下骨和關節軟骨的OA相關損傷減少[31]。然而,在TKA術中切除或保留IFP的確切后果仍有爭議,尚未完全解決。IFP切除術對術后結果的主要影響是膝前痛加重、髕腱血流減少、并可能造成瘢痕形成和髕腱縮短[32]。此外,并發癥發生率可能因手術方式而異。將來仍然需要更多高質量的隨機對照試驗來明確是否應當切除髕下脂肪墊[33]。

3.1 膝前痛 Seo等[34]對448例TKA(其中201例IFP切除,247例IFP保留)術后膝前痛的患者進行了回顧性研究,結果發現TKA術后72 h疼痛沒有差異。然而,手術后24～48 h用數值評分量表(numerical rating scale,NRS)測量的最大疼痛水平僅在切除IFP組顯著降低[34]。相反,Pinsornsak等[35]在一項90例患者進行的隨機對照試驗中發現術中切除IFP后6個月內膝前痛增加。Meneghini等[36]在對1 055例TKA術中切除IFP的回顧性研究中報告了術中切除IFP后疼痛加重的趨勢。Tanaka等[37]比較了120例接受TKA治療的繼發于類風濕性關節炎的KOA患者,IFP切除和滑膜切除術的臨床預后,結果發現與未行髕下滑膜切除術或IFP切除術的患者相比,接受滑膜切除術和IFP切除術的患者膝前痛的發生率顯著增加[37],因此認為IFP可能導致膝前痛。總之,術中保留IFP可能導致術后1～2個月疼痛增加,術中切除IFP可能導致術后3～6個月疼痛增加[38]。

3.2 髕骨血運 術后髕骨血運的情況同樣存在爭議。IFP切除后導致的髕骨血運減少可能是導致髕骨缺血性壞死的原因[39]。Subramanyam等[39]研究表明,切除大部分IFP會嚴重阻礙髕骨血運,而部分切除(切除50%或更少的IFP)則不會影響髕骨血運。相反,McMahon等[40]在術后1個月內未發現因切除IFP而導致的髕骨血運障礙。

3.3 活動范圍與功能轉歸 Pinsornsak等[35]在一項前瞻性研究中證實,TKA術中切除IFP不會導致美國膝關節協會評分(knee society score,KSS)的顯著差異,也不會降低膝關節屈曲能力。Meneghini等[36]觀察到術后活動范圍和功能評分方面,切除IFP和不切除IFP的患者差異無統計學意義。相反,Tanaka等[37]通過影像學檢查發現切除IFP會造成更大的活動受限(尤其是屈膝)、股四頭肌輕微無力及髕腱縮短。然而,這項研究主要研究的是繼發于類風濕關節炎的KOA患者,而不是原發性骨關節炎患者。

3.4 髕腱長度 現有文獻對術后髕腱長度影像學改變的說法是相互矛盾的。在Pinsornsak等[35]的一項前瞻性研究中,TKA術中切除IFP的患者,術后隨訪12個月髕腱長度與術前比較差異無統計學意義。ⅰmren等[41]在術后5年未見髕腱縮短。相反,Lemon等[42]報道TKA行IFP切除的患者術后1～3年髕骨肌腱明顯縮短。同樣,Chougule等[32]報道IFP切除后1年、5年髕骨肌腱明顯縮短。

3.5 并發癥 Seo等[34]發現保留IFP可顯著降低術后傷口愈合障礙的發生率。傷口愈合障礙是指干預3 d以上的傷口分泌延長。在Pinsornsak等[35]的一項研究中,IFP切除或保留后均未發現并發癥。

4 展 望

綜上所述,隨著KOA的患者數量越來越多,TKA也越來越多,關注點則轉移到KOA的發生發展以及預防術后預后不良。IFP與KOA發生發展有著密不可分的關系,因此可以從IFP中提取MSCs以修復磨損的關節,或是控制炎性因子來減輕膝關節疼痛,這也許是控制KOA發生發展的一種方法。雖然IFP切除后的KSS沒有差異,但切除IFP對髕腱長度、術后膝前痛和活動范圍的影響在不同研究中有所不同,有時則呈現出相互矛盾的結果。這同樣需要前瞻性的隨機對照試驗來驗證,并制定更新的手術標準。因此,本文綜述討論了IFP的解剖結構,以及IFP在KOA發生發展中的作用,以探討緩解患者疼痛以及延緩KOA進展的辦法,有助于外科醫生改進手術步驟以及指導術中決策,這將為預防以及治療KOA提供新的方向。