中等強度跑臺運動結合改性羥基磷灰石-殼聚糖復合水凝膠對大鼠髕股關節(jié)軟骨缺損修復的影響.pdf

1、在關節(jié)內(nèi)骨的末端覆蓋著一種獨特的結締組織——關節(jié)軟骨，其功能為緩沖關節(jié)的靜態(tài)和動態(tài)負荷、減輕關節(jié)運動時的摩擦并順利完成關節(jié)的活動。健康的軟骨是肢體活動的必需條件，各種關節(jié)創(chuàng)傷、骨關節(jié)病和骨關節(jié)腫瘤都會破壞關節(jié)軟骨。軟骨主要由軟骨細胞、細胞外網(wǎng)狀膠原纖維、糖胺多糖和水組成，由于其結構的特殊性，其內(nèi)無血管及神經(jīng)，其獲得營養(yǎng)的方式也不同于其他組織。幼年時關節(jié)軟骨主要靠軟骨下骨輸送營養(yǎng)，成年后主要靠與關節(jié)液進行物質交換來獲得營養(yǎng)。由于與關節(jié)液進

2、行物質交換需要軟骨自身結構的完整，成年后又無軟骨下骨的營養(yǎng)支持，所以關節(jié)軟骨一旦受損很難恢復，最終往往導致關節(jié)炎，致使關節(jié)功能喪失。因此一直以來，關節(jié)軟骨損傷的修復都是臨床上棘手的熱點問題。
　　當下尚未有一種治療軟骨損傷的金標準方法，其治療方法仍然存在較多爭議。目前有藥物療法，生物療法，外科手術治療，生物工程材料植入治療等。關節(jié)腔內(nèi)注射藥物是比較傳統(tǒng)的治療方法，如注射透明質酸，但藥物僅能使關節(jié)面的摩擦應力減少，延緩關節(jié)退變，其對

3、軟骨的再生并無顯著作用，因此只能起到緩解作用，無法去除病因。生物療法是近十幾年的新興療法，越來越受到重視，各種生物制劑的研發(fā)如火如荼，如骨髓間充質干細胞(BMSC)、富血小板因子血漿(PRP)等，大部分的動物研究表明其有效性，但臨床應用尚未成熟，需要進一步明確長期療效。外科手術治療在臨床上應用廣泛，如微骨折術、鉆孔術、自體或異體骨軟骨移植，自體軟骨細胞移植(ACI)，雖然方法眾多，但都有各自的局限性及缺點，且運用手術治療所修復和重建的軟

4、骨與正常的關節(jié)軟骨組織存在一定差異，而且手術中的微骨折的處理和自身軟骨的移植也會造成損傷。生物組織工程材料近年來取得了巨大的進展，多種組織工程化的凝膠及支架被證實在軟骨缺損的修復過程中起到促進作用。其作用原理是在軟骨缺損部位形成了結構和強度類似于軟骨基質的生物材料填充，既能在早期添補缺損部位，使關節(jié)面保持原有的形態(tài)，又能為間充質細胞提供良好的增殖和分化環(huán)境，在修復過程中使再生軟骨更加接近正常軟骨的形態(tài)及組織學特點。殼聚糖是一種天然高分子

5、材料，具有天然的抗菌性能、生物可降解性能，以及良好的組織相容性，因此被廣泛應用于組織工程及再生醫(yī)學領域。殼聚糖在結構上與糖胺多糖(GAG)和關節(jié)軟骨中的透明質酸具有相似性，其能為軟骨細胞提供更加類似于軟骨基質的環(huán)境，使重建的軟骨組織接近正常軟骨的形態(tài)，所以此類殼聚糖水凝膠被廣泛的應用到軟骨修復，這一點也在多篇文獻中被證實。本實驗所使用的材料為改性羥基磷灰石殼聚糖(CS/HA-g-CS)復合水凝膠，這種改性水凝膠的制備采用了物理交聯(lián)方法，

6、使羥基磷灰石納米粒子與殼聚糖的相容性得到了提高，并能提高凝膠的抗壓強度和延長了其降解的時間。
　　軟骨缺損后缺乏營養(yǎng)支持是軟骨缺損難以修復的重要原因。大量文獻報道制動會導致關節(jié)軟骨退化，其原因在于成年后軟骨無軟骨下骨的營養(yǎng)支持需要靠與關節(jié)液物質交換來獲取營養(yǎng)，關節(jié)活動所產(chǎn)生的關節(jié)內(nèi)壓力能促進關節(jié)液的流動，有利于軟骨與關節(jié)液之間的物質交換，而制動會阻止這種作用。也有文獻報道過強的關節(jié)活動都會導致軟骨退變，目前普遍認為合適的應力刺激與

7、正常軟骨的生理活動密切相關，適度的運動能提高關節(jié)軟骨的質量。關節(jié)運動過程中對關節(jié)軟骨施加壓力到無壓力的周期變化使軟骨如同周期性吸水和擠水的海綿，形成了所謂的“軟骨泵”，這就是軟骨獲取營養(yǎng)的機制。軟骨缺損后運動康復的理論基礎便是軟骨的營養(yǎng)機制，而且適度的運動還能減少損傷后關節(jié)內(nèi)外的粘連，增加周圍肌肉的肌力及肌腱和關節(jié)囊的穩(wěn)定性。已有學者的研究發(fā)現(xiàn)中等強度跑臺運動能提高軟骨中糖胺多糖(GAG)和Ⅱ型膠原(College-Ⅱ)的含量并能促進非

8、負重區(qū)關節(jié)軟骨缺損的修復，高強度會破壞軟骨而低強度作用并不顯著。通過查閱大量文獻，我們發(fā)現(xiàn)對跑臺運動的研究大多是在正常軟骨和未修復的軟骨缺損上進行的，而跑臺運動對于已進行修復的軟骨缺損的作用未見報道。軟骨缺損修復的機理為:缺損區(qū)軟骨下骨的出血使缺損部位形成血腫，同時有多分化傾向的間充質細胞由基底部松質骨進入缺損區(qū)內(nèi)并增殖，缺損區(qū)內(nèi)形成了由紅細胞、白細胞和未分化細胞組成的纖維素凝塊，凝塊進一步機化形成肉芽組織，肉芽組織化生形成成纖維軟骨，

9、而后再次機化為類透明軟骨。我們假設在對大鼠軟骨缺損進行組織工程修復治療后進行了中等強度跑臺運動康復鍛煉，運動康復可能在軟骨修復過程中干擾到間充質干細胞的增殖和分化，而在缺損處植入CS/HA-g-CS水凝膠可以在早期為缺損修復提供穩(wěn)定的環(huán)境，減少應力對未分化間充質干細胞的影響，并在缺損處形成了類似軟骨基質的結構，有利于間充質干細胞向軟骨細胞分化。這樣既能獲得軟骨泵的營養(yǎng)支持作用，防止關節(jié)內(nèi)的黏連，又能避免跑臺運動可能對修復組織產(chǎn)生的干擾，

10、那么中等強度跑臺運動結合CS/HA-g-CS水凝膠對大鼠髕股關節(jié)軟骨缺損修復的效果是會優(yōu)于單獨進行跑臺運動或單獨使用CS/HA-g-CS水凝膠的效果的。為了證實我們的假設，我們進行了本實驗的研究。
　　目的:
　　研究中等強度跑臺結合改性羥基磷灰石殼聚糖(CS/HA-g-CS)復合水凝膠對大鼠髕股關節(jié)軟骨缺損修復的效果。
　　方法:
　　將24只250-300g的雄性SD大鼠隨機分為4組:空白對照組(BC組)、水

11、凝膠植入組（CHI組）、跑臺運動組（MIR組）、水凝膠結合跑臺運動組（CHI+MIR組），建立直徑1mm、深度1mm觸及軟骨下骨的圓柱形雙側髕股關節(jié)軟骨缺損模型，CHI組和CHI+MIR組在缺損處植入改性羥基磷灰石殼聚糖復合水凝膠，其中MIR組和CHI+MIR組在造模后4周開始中等強度跑臺運動（跑臺坡度5°，20m/min×40min/d×5d/w），其余兩組置于籠中自由喂養(yǎng)。分別在跑臺運動后4周和12周切開關節(jié)行大體觀察評分，取造模膝

12、關節(jié)石蠟包埋切片并予以番紅O-固綠染色行組織學觀察，取缺損處修復組織行PCR檢測其糖胺多糖(GAG)、Ⅱ型膠原(College-Ⅱ)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP-2)的基因表達。
　　結果:
　　大體評分:4周時CHI+MIR組顯著優(yōu)于其余3組，BC組明顯低于其余3組，MIR組和CHI組比較無統(tǒng)計學意義;12周時BC組低于其余3組，其余各組間比較無統(tǒng)計學意義。O'Driscoll組織學評分:4周時，CHI+MIR組顯著高于其余三

13、組(P＜0.05)，BC組顯著低于其余三組(P＜0.05)，MIR組和CHI組比較無統(tǒng)計學意義(P=0.087);12周時，CHI+MIR組顯著高于其余三組(P＜0.05)，BC組顯著低于其余三組(P＜0.05)，MIR組和CHI組比較無統(tǒng)計學意義(P=0.787)。Ⅱ型膠原mRNA的表達:4周時，各組間濃度差異有統(tǒng)計學意義(P=0.000)，CHI+MIR組顯著高于其他3組，MIR組顯著高于BC組，BC組表達最低，CHI組與MIR組比

14、較無統(tǒng)計學意義(P=0.063);12周時，各組間濃度差異有統(tǒng)計學意義(P=0.007)，BC組和CHI組顯著低于MIR組和CHI+MIR組，其余各組間濃度差異無統(tǒng)計學意義(BC vs CHI P=0.369;MIR vs MIR+CHIP=0.463)。糖胺多糖mRNA的表達:4周時，各組糖胺多糖均有表達，各組間濃度差異有統(tǒng)計學意義(P=0.047)，BC組顯著低于CHI組和CHI+MIR組，其余各組間濃度差異無統(tǒng)計學意義(BC vs

15、 MIRP=0.298;CHI vs MIRP=0.172;CHIvs CHI+MIRP=0.588;MIR vs CHI+MIRP=0.073);12周時，各組間濃度差異有統(tǒng)計學意義(P=0.000)，CHI+MIR組顯著高于其他3組，BC組顯著低于其余三組，BC組表達最低，CHI組與MIR組比較無統(tǒng)計學意義(P=0.063)。骨形態(tài)發(fā)生蛋白mRNA的表達:4周時，各組間濃度差異有統(tǒng)計學意義(P=0.000)，CHI+MIR組明顯高于

16、其他三組，其余各組間無統(tǒng)計學意義(BC vsCHI P=0.431;BC vs MIRP=0.257;CHI vs MIRP=0.707);12周時，各組間濃度差異有統(tǒng)計學意義(P=0.006)，BC組和CHI組顯著低于MIR組和MIR+CHI組，其余各組無統(tǒng)計學意義(BC vs CHIP=0.557;MIR vs MIR+CHIP=0.329)。
　　結論:
　　中等強度跑臺結合改性羥基磷灰石殼聚糖復合水凝膠對大鼠髕股關節(jié)