机械加载减轻骨关节炎的病理进展

【摘要】：研究背景骨关节炎(OA)是一种以软骨退化、软骨下骨异常重塑、滑膜炎症和骨赘形成为特点的慢性关节疾病。OA累及全球1.5亿人,以美国为例,60岁以上约37%的人口患有OA。OA的危险因素包括年龄、肥胖、关节外伤、遗传等。目前OA的治疗包括早期的非药物治疗、药物治疗以及晚期的手术治疗,但是它们对OA的治疗都存在一定的局限性。我们实验室自主研发的脉冲式关节机械加载治疗,是一种模拟主动有氧运动的物理康复疗法。它是一种横向的关节加载模式,通过给予滑液关节一个温和、低频率的刺激以改变骨皮质的腔隙小管网络中的液体流动,从而影响骨代谢。我们之前的研究已经证明了关节机械加载可诱导骨形成并加速受伤骨骼的愈合。脉冲关节机械加载可以针对各种滑膜关节,以肘关节加载、膝关节加载的形式进行。先前的工作也表明,关节机械加载可以增加长骨的皮质骨厚度,特别是膝关节机械加载可以诱导合成代谢反应,延长股骨和胫骨的长度,加速手术伤口的愈合,并治疗股骨头坏死。先前的工作还表明,关节机械加载可以降低软骨中的基质金属蛋白酶13(MMP-13)活性。总的来说,机械加载作用的原理是通过负荷驱动的压力在骨皮质的腔隙小管网络中产生液体流动,来激活骨中的合成代谢基因。我们以前的研究也表明了膝关节机械加载可以修复早期小鼠软骨、软骨下骨的损伤。研究目的本课题组通过建立内侧关节不稳定(DMM)的OA小鼠模型,全面观察OA手术后2、4、8周三个不同时间点内侧膝关节软骨、软骨下骨、滑膜、骨赘的病理变化,并观察机械加载对他们的治疗效果。此外,我们还观察了外侧膝关节的软骨和软骨下骨的病理变化以及机械加载的治疗效果。研究方法实验一:选用15只14周龄的C57BL/6小鼠按照随机数字表法分成正常对照组(Control,n=5)、2周OA组(2w OA,n=5)、2周OAL组(4w OA,n=5)。摘除内侧半月板建立OA动物模型。用HE染色观察小鼠膝关节的病理变化以判断造模是否成功。实验二:选用54只14周龄的C57BL/6小鼠按照随机数字表法分成正常对照组(Control组)、OA手术造模组(OA组)、机械加载治疗组(OAL组),每组又分成2周、4周和8周的亚组(n=6)。使用HE和番红O/快绿染色观察内、外侧膝关节软骨、软骨下骨的变化,以及机械加载对滑膜炎症、骨赘形成的治疗作用。使用抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)以及MacNeal’s染色分别观察软骨下骨中破骨细胞和成骨细胞活性的变化。研究结果实验结果表明,无论是在内侧膝关节还是外侧膝关节,膝关节机械加载能够显著增加关节软骨厚度,同时降低升高的OARSI评分、滑膜评分、骨赘评分。膝关节机械加载也能改善软骨下骨的软骨下骨板厚度和骨面积分数。并且,膝关节内、外侧病理变化的损伤分别在4周和8周时最严重,机械加载的治疗效果在这两个时间点最显著。相关性分析表明,软骨、软骨下骨、滑膜、骨赘之间均为阳性相关。机械加载可以调控软骨下骨中破骨细胞和成骨细胞活性的变化。研究结论研究证明机械加载可以减轻OA全关节的病理变化,并且这种治疗效果与机械加载调节软骨下骨中的破骨细胞和成骨细胞有关,表明机械加载可以作为一种新型的治疗OA的物理康复治疗仪器。