同種異體骨軟骨移植治療關節軟骨損傷的現狀

張城銘,段王平,馬永勝,衛小春

(山西醫科大學第二醫院骨科,骨與軟組織損傷修復山西省重點實驗室,山西 太原 030001)

關節軟骨是一種特殊的透明軟骨組織,由細胞外基質與少量軟骨細胞構成,關節軟骨損傷在年輕、活躍的人群中非常常見[1]。損傷范圍較大、有明顯癥狀的關節軟骨損傷影響患者運動和日常生活活動,可致骨關節炎的發病率明顯提高,由于關節軟骨的再生能力及自我修復能力較差,使關節軟骨損傷的自然愈合有限。同種異體骨軟骨移植(osteochondral allograft transplantation,OCA)從組織捐贈者獲得整塊軟骨和軟骨下骨來精確修補受損的關節軟骨,是一種針對局限性大塊關節軟骨損傷的有效治療方式。與其他關節軟骨損傷修復的手術方式如微創骨髓鉆孔技術、自體軟骨細胞植入、自體骨軟骨移植等[2-3]相比,OCA在中等范圍(>2 cm2)及大范圍(4～10 cm2)軟骨缺損的臨床治療中顯示了更好的療效[4-5],其組織來源較廣泛,可根據健康關節軟骨的外形、邊界自由選擇移植物尺寸,移植物存活不受損傷部位微骨折影響[4,6]。此外與其他修復方式相比,接受OCA的患者術后可以更好地恢復活動與負重。這些優勢使得OCA在中大型軟骨損傷的臨床實踐中得到廣泛的應用,在容易獲得新鮮同種異體移植物的地區,OCA已經成為治療局限性大塊關節軟骨損傷的有效手段,也成為了有運動需求的年輕患者的首選治療方式。從20世紀80年代后,OCA逐漸主要針對關節軟骨和骨局限性缺損進行治療并取得了良好的療效,最終應用于膝關節軟骨缺損修復并拓展至髖[7-8]、肩肘[9-13]、足踝[14-15]等關節。已發表的文獻報告了5 290例膝關節OCA手術,成功率為83.2%[16]。踝關節OCA為579例,成功率為73.8%;接受肩肘、髖關節OCA的患者有83例,結果也良好[16]。OCA目前已在北美及歐洲地區廣泛開展,形成了完整的組織移植體系并進行商業化發展。巴西參考上述體系并對其進行變革,建成了符合其本國特色的OCA組織移植體系,同時進行了大量的OCA移植驗證了該體系的有效性。在我國OCA僅有零星的個案報道,距離在軟骨損傷治療中的廣泛應用仍有較大差距。

1 OCA的臨床應用

1.1 OCA適應證與禁忌證 目前OCA廣泛應用于修復因疾病、創傷、腫瘤切除等導致的骨軟骨組織缺損。OCA的主要適應證為中大型面積的關節軟骨(>2 cm2)損傷,包括創傷性軟骨損傷(可并發軟骨下骨損傷)、剝脫性骨軟骨炎、潛在的軟骨下水腫、軟骨早期退行性變等[17-19]。OCA也可以用于治療局灶性骨壞死(如Ficat分期Ⅱ、Ⅲ期的股骨頭壞死)、較大面積(5～10 cm2)的股骨髁和股骨后髁損傷[20-21]。針對髕股關節間室缺損,自體軟骨細胞植入或其他基于細胞的修復技術或許是最佳選擇,但當髕股關節缺損面積>4 cm2或累及軟骨下骨時,更宜使用OCA進行治療[2],同時OCA還可用于挽救髕股關節中自體細胞移植失敗后的補救治療[22-23]。對于因疾病導致廣泛的軟骨或骨軟骨缺損而需要重建髕骨及滑車表面的年輕患者,也可以考慮采用OCA進行初步治療[24]。在嚴重的脛骨軟骨疾病或其他修復方式失敗的情況下,可以考慮整個脛骨關節面的OCA治療。關節軟骨的雙極損傷是OCA的適應證之一,但其術后移植物存活率較低,修復效果較差。

OCA的禁忌證包括關節感染、下肢力線異常及關節不穩、晚期骨關節炎、代謝性骨關節炎及不明原因的滑膜炎。下肢力線異常及關節不穩是OCA的禁忌證,在術前或術中需要對力線進行糾正[25]。>50歲的晚期骨關節炎患者使用OCA治療的手術失敗率很高,OCA無法緩解老年骨關節炎患者的膝關節活動度差及疼痛等問題[26]。綜上所述,在選擇OCA的患者時應仔細詢問病史并進行體格檢查,篩選與適應證和禁忌證相符的患者進行OCA治療以獲得預期的療效。

1.2 OCA手術技術 OCA的手術技術包括Plug技術、雪人(Snowman)技術、殼(Sheel)技術、小碎塊(Small fragment)技術等,具體手術方式根據骨軟骨缺損的大小和位置決定。Plug技術通過測量病變軟骨尺寸后鉆出固定大小的圓柱形缺損并植入骨軟骨移植物。Snowman技術與Plug技術類似,當1個移植物無法填補缺損時,可根據缺損形狀先植入第1個合適形狀的移植物,再沿著該移植物邊緣繼續鉆出與之相匹配的缺損并植入第2個移植物,使其與第1個移植物邊緣重疊形成雪人狀。對于病變不規則的大塊骨軟骨缺損,無法使用Plug技術或Snowman技術進行移植時可采用Shell技術用同樣大小及形狀的骨軟骨移植物修復缺損并使用加壓螺釘對移植物進行固定。Small fragment技術主要適用于復雜的創傷后脛骨平臺骨軟骨缺損并伴有半月板缺陷的病變。

1.3 OCA術后康復 OCA術后應根據損傷區域、病變類型與手術方式設計個體化的康復方案,主要包括限制負重、固定、恢復關節主動和被動活動范圍、疼痛管理、控制關節腫脹、恢復本體感覺等。OCA術后康復第一階段(術后0～6周)的主要康復目標是保護移植物并減少負重。第二階段(術后6～12周)的目標是讓患者恢復關節正常功能并逐漸恢復日常生活。當患者關節逐漸達到完全活動范圍并恢復正常步態后就可以進行溫和的力量鍛煉并逐漸增加強度。康復的最后階段(術后3個月以上)則需要根據患者需求制定個體化的康復方案,對于一般患者而言,恢復正常工作生活的運動需求即可。對于運動員或有運動需求的患者則需要強化關節周圍的肌肉并恢復本體感覺,使關節恢復至專業運動所需要的強度。在保證關節無痛、韌帶穩定、力量充分的情況下循序漸進的進行恢復訓練以維持移植物的穩定性[27-28]。

1.4 OCA臨床評估 OCA術前應全面評估患者的全身情況,應仔細詢問患者的病史如關節癥狀的部位、持續時間和發作方式等,以及膝關節是否存在腫脹、卡壓或者伴隨的關節不穩定。當出現半月板損傷或韌帶不穩定等癥狀時,應當注意可能伴隨出現的軟骨損傷。同時應注意患者既往的非手術治療方式及手術記錄以增加軟骨損傷的檢出率。應進行關節周圍肌肉的動態強度評估,并評估關節積液、觸診壓痛和關節不穩定,股四頭肌等明顯的動態力量缺陷需要在手術前進行康復治療。

膝關節OCA的術前影像學檢測包括雙側膝關節前后位負重X線片、膝關節屈曲位X線片、膝關節正側位X線片和髕股軸位X線片,同時應采用站立位下肢全長X線片來評估下肢力線,當出現下肢力線異常時應在術前或手術中同時解決。應準確預估關節軟骨病變的尺寸,從而確保從組織庫中選擇合適大小的同種異體移植物[27,29-30]。也可使用磁共振成像、計算機斷層掃描和骨掃描進行OCA的術前評估。使用磁共振成像可以全面地評估病變關節的情況并測量軟骨損傷的尺寸,并評估關節內軟組織如韌帶、半月板的損傷。需注意通過MRI測量的軟骨病變尺寸可能小于實際尺寸[31]。

OCA的術后影像學檢查主要通過關節磁共振成像進行評估,評估內容包括移植物信號強度、缺損填充、關節面和軟骨下骨評估。良好的移植手術結束時軟骨缺損處應具有平滑的關節輪廓,術后3個月內可能出現彌漫性骨髓水腫。隨著軟骨下骨的逐漸融合,骨髓水腫的高信號會逐漸降低直至最終恢復正常,提示OCA手術成功。當水腫樣骨髓高信號持續超過12個月或出現關節面塌陷則預示著OCA手術失敗[32]。當出現移植物局部硬化、關節間隙變窄、骨贅形成、軟骨下骨囊性變、塌陷或碎裂則說明可能出現移植物退變。

1.5 OCA療效 現有文獻報道中OCA移植物的存活率差異很大,并且與手術適應證高度相關。綜合近20年的長期隨訪結果,移植物的5年存活率為84.5%～100%,10年存活率為71%～89%,15年存活率為74%～76%,15年以上的存活率為66%[33-35]。總體而言選擇與適應證相符的患者進行OCA療效確切,即便在術后移植物失活,關節仍能維持較好的活動度并改善癥狀。當年輕患者出現關節軟骨的雙極病變等大面積軟骨損傷時,使用OCA進行修復是唯一選擇,可以挽救膝關節的功能[36]。OCA應用于剝脫性骨軟骨炎及骨壞死的臨床療效也極佳,術后5年隨訪移植物存活率高達79%～94%[37-38]。針對運動員進行OCA的療效研究較少且個體差異較大,最近一項針對43例運動員接受新鮮OCA移植治療的研究顯示,88%的運動員可以恢復有限的運動能力,79%的運動員恢復運動的時間為2年,年齡超過25歲以及癥狀持續超過12個月的患者恢復運動的可能性較小[39]。但OCA應用于晚期骨關節炎及髕股關節損傷的患者時療效不佳[40]。導致OCA失敗的因素主要包括下肢力線異常、移植物應力過載、巨大軟骨損傷導致的移植物無法吸收、免疫反應過強等。

2 OCA相關基礎研究

2.1 OCA移植物的采集、加工、儲存 目前OCA移植物一般的采集流程為:選擇15～40歲之間且關節軟骨必須非常健康的捐獻者,當捐獻者死亡后于24 h內在手術室內采集關節軟骨及骨組織[28,41]。隨后在48 h內在潔凈度達到ISO 4級的潔凈室內獲取新鮮骨軟骨組織并進行分區保存。在組織培養液中對組織進行培養并檢測組織是否污染及軟骨細胞活性,在確定無菌及軟骨細胞活性后第3～7天完成適應的軟骨位置圖表、血清學指標以及初始培養檢查[42]。在第8～10天確定與之相配的移植配體并完成確認,在第15～20天完成最終的培養結果,再次確定移植物無菌性后進行運輸,在第28天之前完成植入[43-44]。

20世紀80年代Gross等[45-46]發現移植物的長期存活取決于存活的軟骨細胞、完整的細胞外基質和宿主骨摻入。目前研究表明軟骨細胞活力與移植成功率直接相關[47-48]。一般要求植入時軟骨細胞活力至少為70%,移植物的不同儲存方法(如冷凍、低溫、新鮮)對軟骨細胞存活率、免疫原性和移植時間有不同影響,軟骨的生物力學和生化成分也會隨著儲存時間的延長而惡化[49]。目前一般保存方法是將骨軟骨移植物置于4 ℃下在含有GlutaMAX和抗生素的無血清Ham-F12培養基中進行保存。

冷凍保存可以降低移植物的免疫原性,但使用新鮮冷凍或冷凍干燥保存后,軟骨細胞存活率較低且移植物力學性能變差[50],深低溫冷藏法可以維持較低的軟骨細胞活性,但經臨床應用后發現移植效果較差[51]。使用低溫保護劑如二甲基亞砜浸泡軟骨組織后進行梯度降溫,使用深低溫冷藏保存骨軟骨組織,可以極大地提高軟骨細胞的存活率,并提高移植效果[52-53]。與儲存在4 ℃下相比,在常溫(37 ℃)儲存28 d的新鮮移植物的存活率增加,所有區域的軟骨細胞活力也高于低溫儲存,這表明在生理溫度下儲存顯著提高了OCA組織的活力。Trico等[54]將移植組織從4 ℃改為在常溫下保存以更好的保護軟骨細胞;同時還將移植物從捐獻到移植的時間縮短為15.3 d,可增加移植物中軟骨細胞活力并帶來更好的組織存活率及遠期移植效果。美國密蘇里州開發了新的骨軟骨移植物保存系統,可以在長時間(約56 d)內保存移植物,使用該系統可提高移植物中軟骨細胞活性并保證其生物安全性[55]。隨著研究的深入,逐漸更新的移植物保存方法,降低免疫排異反應等手段的引入可以更好地維持移植物的存活,也帶來了更好的遠期療效,有可能為OCA體系帶來新的變革。

2.2 OCA免疫排異反應 目前OCA失敗的因素主要歸結于免疫排異反應、骨結合的失敗以及軟骨細胞的失活等原因[46],但OCA的免疫排異反應主要來自于移植物的骨部分而不是軟骨部分。Gross團隊的研究表明完整的關節軟骨不會引起體液免疫反應,對回收的同種異體移植物的研究也表明,缺乏抗原且致密的細胞外基質可以很好地隱藏軟骨細胞,可以防止軟骨細胞與淋巴細胞及漿細胞接觸,使軟骨組織成為了免疫豁免組織[56]。因此患者對骨軟骨移植物具有一定的免疫耐受性[57-58],在移植前不需要進行白細胞抗原檢測及血型匹配。較大的移植物(>10 cm2)往往會引起更強的免疫排異反應[59],因此需要在進行OCA時選擇合適尺寸的移植物并對其進行充分清洗,以減少骨組織的免疫反應,從而增加移植成功率。

2.3 骨軟骨移植物的轉歸 同種異體關節軟骨和松質骨可以與宿主周圍骨組織融合且可以保證移植軟骨的活性,最終形成具有淺層、中層、深層特征的透明軟骨[60-62]。Bardos等[63]的研究表明,獲取移植物時應盡量在骨部分進行切割時不損害軟骨組織的表層,可以更好地使移植物軟骨層與周圍軟骨融合,重建軟骨-軟骨下骨單元。新鮮骨軟骨組織與病變的關節軟骨相比降解蛋白多糖的金屬蛋白酶水平顯著降低,移植新鮮骨軟骨組織可以更好地保持關節軟骨的質量,同時抑制關節炎,可能有助于改善移植物的預后和存活率[64]。對于失敗的OCA進行組織學分析,發現早期失敗的移植物主要表現為移植物骨壞死,軟骨部分仍然完整且存活;中期失敗的移植物為軟骨組織蛋白聚糖丟失但軟骨細胞仍存活,移植物骨部分出現不完全重塑且出現周圍滑膜炎;長期失敗的移植物則以骨壞死、纖維軟骨和骨贅形成為主要特征[45]。免疫排異反應對移植物的轉歸影響不大,在保證移植物中軟骨細胞活性及軟骨基質維持良好的情況下,移植物是否成功融合主要由骨的部分決定。

3 OCA的生物安全性

OCA要求在捐獻前需仔細核對供體病史,排除有風濕免疫、腫瘤疾病史及細菌、真菌、病毒感染史的供體,采集及移植骨軟骨移植物時需進行所有需要的生物安全檢測,包括供體生物安全檢測、軟骨組織儲存及處理過程中的生物安全檢測、受體的生物安全監測,完善軟骨移植過程中生物安全體系的建設。在采集前對供體進行血常規和C反應蛋白等一系列血清學檢測,同時進行細菌、病毒、人畜共患病等病原微生物的檢測,確保全部為陰性結果再進行組織采集,檢測應盡可能全面,保證移植物來源的生物安全。采集移植物時應盡可能在供體死亡的短時間內且必須在無菌條件下進行,采集過程必須由經過培訓的專業人員操作。獲取移植物后,需要在7 d內及20 d內完成2次細菌培養并進行無菌性檢測,采集后的移植物應盡快消毒并包裝,在確定組織的無菌性后完成移植。不同的組織庫也擁有不同的檢測技術進行安全性檢測及細菌培養,保證來源、采集、保存、移植等各個流程中OCA組織的生物安全性,形成完整的生物安全監測體系,使得組織污染成為罕見事件[43,65]。

4 OCA相關共識及學術組織

多項共識的形成為OCA的應用提供了指導并促進OCA在全球廣泛開展。2017年在踝關節軟骨修復國際共識會議上,由不同國家的專家組成了踝關節軟骨修復國際共識小組[66],經過討論該小組發布了專家共識,推薦在踝關節損傷中使用OCA進行修復,肯定了踝關節OCA的療效,使用該技術治療后踝關節疼痛減輕且功能得到明顯改善[66]。2018年23名專家成立了OCA軟骨修復臨床專家焦點小組[67]并召開會議,就OCA應用中的多項問題形成了專家共識,該共識明確了OCA的適應證及禁忌證、手術方式、康復方式等臨床問題,并確定了測試軟骨細胞活力和代謝活性的標準方法。2020年28名專家就髕股關節損傷的修復手段達成共識[24],盡管該共識并未就OCA或自體軟骨細胞移植哪項更適合應用于髕股關節修復達成一致意見,但仍推薦在病變出現骨贅或需要翻修時首選OCA修復。同時該共識還確定了保持軟骨細胞活力及維持移植物存活的必要條件,應使用新鮮移植物并避免冷凍儲存等注意事項[24]。

5 OCA相關法律、標準、衛生經濟學

在北美地區使用新鮮骨軟骨組織需要從組織庫中購買[43],根據美國聯邦法律規定:組織庫的收費項目不直接來源于出售組織,而是收取與新鮮組織處理、儲存、測試和運輸的“相關費用”。1983年在加拿大多倫多[49,68]建立了可用于臨床的采集、處理和儲存新鮮骨軟骨組織的系統,同一時期至20世紀90年代末,美國食品與藥品監督管理局制定并監督了OCA組織庫的無菌采購和處理指南并進行商業化,由衛生與公眾服務部下屬的器官募捐及移植網負責日常監管[69]。在美國至今形成了4家商業化的骨軟骨組織庫[70],其采集和加工標準統一遵循美國組織庫協會的規定。不同于北美地區的商業化流程,Trico等[54]在巴西建立了由公共衛生系統管理的5個骨軟骨組織庫并免費提供新鮮骨軟骨組織。1997年在歐盟范圍內也形成了骨軟骨組織庫的通用標準[71],并在意大利、德國、芬蘭、丹麥等國相繼由醫院或研究所建立了組織庫,組織捐贈、采集、處理流程和質量評估根據歐盟指令及本國法律進行制定,由實驗室內部人員和外部專家進行審核[72-74]。我國OCA在臨床應用中只有少數個案報道,移植例數僅占全球的0.32%[16],目前仍未確立可用于OCA移植的骨軟骨組織庫的管理標準。我國于2023年12月由國務院通過了《人體器官捐獻和移植條例》,確立了中國人體器官分配與共享基本原則和核心政策,可在此基礎上盡快確立骨軟骨組織庫的管理標準并依此建立可用于OCA移植的骨軟骨組織庫,大力推動OCA組織體系的建設并將其應用于關節軟骨損傷修復的治療中。

總體而言,OCA技術正在不斷進步并在中長期的隨訪結果中獲得令人鼓舞的成就。通過技術和方法的創新,使患者可以獲得更準確、安全和持久的手術修復效果。然而OCA的難度不僅局限于臨床應用,更是一個非常復雜的系統工程。需要完備的法律監管、成熟的組織體系,專業的人員架構才能保證OCA移植系統正常運作,進而使整個社會受益。國外從組織捐贈、處理加工、供受體配型、臨床實際應用等方面已經形成系統,這套系統也需要根據各個地區的實際情況進行調整來滿足當地的實際需求。許多做法和經驗可能對我國OCA應用和發展具有借鑒意義,可在借鑒他國經驗的基礎上構建符合中國特色的OCA移植體系,造福關節軟骨損傷的患者。