全髋置换术后假体松动界膜的超微结构研究－－成纤维细胞的退变与功能紊乱
作者：饶寒敏 汤雪明 柴本甫 杨庆铭 李慧
单位：饶寒敏 柴本甫 杨庆铭 李慧 200025 上海第二医科大学附属瑞金医院骨科、上海市伤骨科研究所;汤雪明 上海第二医科大学电镜室
关键词：
中华创伤杂志980316 通过对构成假体周围界膜的主要细胞成份成纤维细胞的超微结构分析与研究,为进一步探索假体松动的成因与防治措施提供细胞学基础。
一、材料与方法
因骨关节炎、股骨头缺血性坏死而行全髋关节置换术病例6例,术后24～125个月(平均79个月)因假体周围骨溶解、假体松动而来院行髋关节翻修术。术中取下假体周围增厚的界膜,作透射电镜标本处理,醋酸铀-枸橼酸铅双重染色,日立H-500透射电镜观察。
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二、结果
1.成纤维细胞的退变:界膜中处于不同发育、发展阶段的成纤维细胞呈现不同的形态。成纤维细胞前体(间充质细胞)形态不规则,核大,呈卵圆形,核内以常染色质占优势,细胞质少,内含少量略扩大的粗面内质网。成熟的成纤维细胞形态呈梭形,核扁卵圆形,核内以异染色质占优势,胞质内富含扩大的粗面内质网和线粒体。有些部位细胞膜脱落,使细胞器直接与细胞外基质接触。细胞外有众多具周期性的胶原纤丝存在,其中有的胶原纤丝中有钙盐结晶沉积,结晶或为针状,或为点状,电子密度深。有些成纤维细胞呈现退变的现象,细胞核固缩,细胞凝集,细胞器肿胀,胞质内出现许多大小不一的空泡。退变加重时,成纤维细胞核的变化更为突出,先是核固缩、扭曲,形成凹陷,随后又伸长,呈蛇形改变。随细胞核的裂解,细胞也死亡,空泡排至周围基质中。
2.成纤维细胞的功能变化:产生、分泌胶原纤丝是成纤维细胞最主要的功能,界膜中的成纤维细胞同样具有这一作用。早期成纤维细胞的胞质内粗面内质网扩大成池,池内有胶原前体存在,细胞内及周围可见其形成的Ⅰ型胶原纤丝,呈明显的64nm周期性,纤丝排列规则。但更多看到的却是呈纵切、斜切、横切、弯曲状等不规则的排列,形成一镶嵌模式,而且纤丝结构松弛。胶原纤丝内有散在的钙盐结晶沉积,结晶呈深电子密度。有的结晶为针状,系纵切胶原纤丝内沉积的结晶;有的则呈点状,为横切胶原纤丝内沉积的结晶。在众多胶原纤丝之间有圆形或卵圆形的钙化基质小泡可见,其中有的基质小泡表面有针状结晶,因而呈现丛毛球状,但未有整片钙化现象出现。
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三、讨论
关节假体松动是全关节置换术最常见的并发症。假体松动的原因归结为磨损颗粒所引起的异物反应,使在假体周围形成界膜[1～3]。界膜中细胞对磨损颗粒的反应至关重要。目前国外研究较多的是巨噬细胞在假体松动中的作崐用,而对界膜中占有相当数量的成纤维细胞则研究得甚少。现已知道,在结构稳定的界膜组织,成纤维细胞为主要成份,而在松动假体周围,巨噬细胞占多数,成纤维细胞减少。成纤维细胞受异物颗粒刺激发生退变,所分泌的胶原纤丝也呈现排列紊乱、结构松弛及玻璃样变。这些都会改变界膜原有的性质,影响关节假体的稳定性。同时,成纤维细胞自身还会释放骨吸收金属蛋白酶和引起抑制成骨细胞胶原合成的介质来促进骨溶解[4]。所以,松动假体周围界膜中的成纤维细胞不仅不能发挥其应有的作用,反而在促进骨溶解中起不良的作用,这一现象不容忽视。
从80年代初柴本甫等[5，6]对成纤维细胞功能的新发现到近年来的体内外研究,均证明成纤维细胞具有成骨潜能,皮肤成纤维细胞体外纯化培养和与上皮细胞混合培养实验又进一步揭示了成纤维细胞成骨需要诱导因子参加[7～9]。在本研究中,笔者发现界膜中的成纤维细胞周围胶原纤丝及基质小泡中有深电子密度的钙盐结晶沉积,这是成骨的前驱表现,但没有成片钙盐结晶出现,说明假体植入后,在其周围确有诱导因子存在,因而在界膜中有钙盐结晶沉积,但因其作用微弱,只有钙化而无骨化,无法使成纤维细胞进一步发挥作用,使界膜向骨组织方向发展。如何在抑制骨吸收的同时,利用成纤维细胞具有成骨潜能的特性,增加局部诱导因子的作用,促使界膜中的成纤维细胞充分发挥其成骨作用,改变界膜的生物学性质,使纤维性界膜向骨性方向转化,从而增加关节假体周围结构的稳定性。本研究中的发现为这一设想提供了实验依据。
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参考文献
[1]Jasty M, Bragdon C, Jiranek W, et al. Etiology of osteolysis around porous-coated cementless total hip arthroplasties. Clin Orthop Rel Res, 1994, 308∶111-126.
[2]Bobyn JD, Jacobs JJ, Tanzer M, et al. The susceptibility of smooth implant surfaces to periimplant fibrosis and migration of polyethylene wear debris. Clin Orthop Rel Res, 1995, 311∶21-39.
[3]Chiba J, Rubash HE, Kim KJ, et al. The characterization of cytokines in the interface tissue obtained from failed cementless total hip arthroplasty with and without femoral osteolysis. Clin Orthop Rel Res, 1994, 300∶304-312.
, 百拇医药
[4]Yao J, Glant TT, Lark MW, et al. The potential role of fibroblasts in periprosthetic osteolysis: Fibroblast response to titanium particles. J Bone Miner Res, 1995, 10∶1417-1427.
[5]汤雪明,柴本甫.实验性骨折愈合的超微结构研究成纤维细胞与软骨细胞演变和归宿的电子显微镜观察.中华医学杂志, 1980, 60∶385-388.
[6]柴本甫,汤雪明.实验性骨折愈合的超微结构研究成纤维细胞成骨作用的电子显微镜观察.中华实验外科杂志, 1985, 2∶157-159.
[7]饶寒敏,徐荣辉,朱雅萍,等.家兔皮肤成纤维细胞在体外培养中的成骨作用:显微缩时录像与四环素标记观察.中华骨科杂志, 1995, 15∶295-297.
[8]饶寒敏,徐荣辉,朱雅萍,等.成纤维细胞成骨潜能的体外培养研究.中华骨科杂志, 1995, 15∶845-848.
[9]饶寒敏,夏筠,徐荣辉,等.皮肤成纤维细胞成骨诱因的实验研究.美国中华骨科杂志, 1997, 3∶148-150.
(收稿:1997-05-08 修回:1997-10-26), 百拇医药
单位：饶寒敏 柴本甫 杨庆铭 李慧 200025 上海第二医科大学附属瑞金医院骨科、上海市伤骨科研究所;汤雪明 上海第二医科大学电镜室
关键词：
中华创伤杂志980316 通过对构成假体周围界膜的主要细胞成份成纤维细胞的超微结构分析与研究,为进一步探索假体松动的成因与防治措施提供细胞学基础。
一、材料与方法
因骨关节炎、股骨头缺血性坏死而行全髋关节置换术病例6例,术后24～125个月(平均79个月)因假体周围骨溶解、假体松动而来院行髋关节翻修术。术中取下假体周围增厚的界膜,作透射电镜标本处理,醋酸铀-枸橼酸铅双重染色,日立H-500透射电镜观察。
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二、结果
1.成纤维细胞的退变:界膜中处于不同发育、发展阶段的成纤维细胞呈现不同的形态。成纤维细胞前体(间充质细胞)形态不规则,核大,呈卵圆形,核内以常染色质占优势,细胞质少,内含少量略扩大的粗面内质网。成熟的成纤维细胞形态呈梭形,核扁卵圆形,核内以异染色质占优势,胞质内富含扩大的粗面内质网和线粒体。有些部位细胞膜脱落,使细胞器直接与细胞外基质接触。细胞外有众多具周期性的胶原纤丝存在,其中有的胶原纤丝中有钙盐结晶沉积,结晶或为针状,或为点状,电子密度深。有些成纤维细胞呈现退变的现象,细胞核固缩,细胞凝集,细胞器肿胀,胞质内出现许多大小不一的空泡。退变加重时,成纤维细胞核的变化更为突出,先是核固缩、扭曲,形成凹陷,随后又伸长,呈蛇形改变。随细胞核的裂解,细胞也死亡,空泡排至周围基质中。
2.成纤维细胞的功能变化:产生、分泌胶原纤丝是成纤维细胞最主要的功能,界膜中的成纤维细胞同样具有这一作用。早期成纤维细胞的胞质内粗面内质网扩大成池,池内有胶原前体存在,细胞内及周围可见其形成的Ⅰ型胶原纤丝,呈明显的64nm周期性,纤丝排列规则。但更多看到的却是呈纵切、斜切、横切、弯曲状等不规则的排列,形成一镶嵌模式,而且纤丝结构松弛。胶原纤丝内有散在的钙盐结晶沉积,结晶呈深电子密度。有的结晶为针状,系纵切胶原纤丝内沉积的结晶;有的则呈点状,为横切胶原纤丝内沉积的结晶。在众多胶原纤丝之间有圆形或卵圆形的钙化基质小泡可见,其中有的基质小泡表面有针状结晶,因而呈现丛毛球状,但未有整片钙化现象出现。
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三、讨论
关节假体松动是全关节置换术最常见的并发症。假体松动的原因归结为磨损颗粒所引起的异物反应,使在假体周围形成界膜[1～3]。界膜中细胞对磨损颗粒的反应至关重要。目前国外研究较多的是巨噬细胞在假体松动中的作崐用,而对界膜中占有相当数量的成纤维细胞则研究得甚少。现已知道,在结构稳定的界膜组织,成纤维细胞为主要成份,而在松动假体周围,巨噬细胞占多数,成纤维细胞减少。成纤维细胞受异物颗粒刺激发生退变,所分泌的胶原纤丝也呈现排列紊乱、结构松弛及玻璃样变。这些都会改变界膜原有的性质,影响关节假体的稳定性。同时,成纤维细胞自身还会释放骨吸收金属蛋白酶和引起抑制成骨细胞胶原合成的介质来促进骨溶解[4]。所以,松动假体周围界膜中的成纤维细胞不仅不能发挥其应有的作用,反而在促进骨溶解中起不良的作用,这一现象不容忽视。
从80年代初柴本甫等[5，6]对成纤维细胞功能的新发现到近年来的体内外研究,均证明成纤维细胞具有成骨潜能,皮肤成纤维细胞体外纯化培养和与上皮细胞混合培养实验又进一步揭示了成纤维细胞成骨需要诱导因子参加[7～9]。在本研究中,笔者发现界膜中的成纤维细胞周围胶原纤丝及基质小泡中有深电子密度的钙盐结晶沉积,这是成骨的前驱表现,但没有成片钙盐结晶出现,说明假体植入后,在其周围确有诱导因子存在,因而在界膜中有钙盐结晶沉积,但因其作用微弱,只有钙化而无骨化,无法使成纤维细胞进一步发挥作用,使界膜向骨组织方向发展。如何在抑制骨吸收的同时,利用成纤维细胞具有成骨潜能的特性,增加局部诱导因子的作用,促使界膜中的成纤维细胞充分发挥其成骨作用,改变界膜的生物学性质,使纤维性界膜向骨性方向转化,从而增加关节假体周围结构的稳定性。本研究中的发现为这一设想提供了实验依据。
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参考文献
[1]Jasty M, Bragdon C, Jiranek W, et al. Etiology of osteolysis around porous-coated cementless total hip arthroplasties. Clin Orthop Rel Res, 1994, 308∶111-126.
[2]Bobyn JD, Jacobs JJ, Tanzer M, et al. The susceptibility of smooth implant surfaces to periimplant fibrosis and migration of polyethylene wear debris. Clin Orthop Rel Res, 1995, 311∶21-39.
[3]Chiba J, Rubash HE, Kim KJ, et al. The characterization of cytokines in the interface tissue obtained from failed cementless total hip arthroplasty with and without femoral osteolysis. Clin Orthop Rel Res, 1994, 300∶304-312.
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[4]Yao J, Glant TT, Lark MW, et al. The potential role of fibroblasts in periprosthetic osteolysis: Fibroblast response to titanium particles. J Bone Miner Res, 1995, 10∶1417-1427.
[5]汤雪明,柴本甫.实验性骨折愈合的超微结构研究成纤维细胞与软骨细胞演变和归宿的电子显微镜观察.中华医学杂志, 1980, 60∶385-388.
[6]柴本甫,汤雪明.实验性骨折愈合的超微结构研究成纤维细胞成骨作用的电子显微镜观察.中华实验外科杂志, 1985, 2∶157-159.
[7]饶寒敏,徐荣辉,朱雅萍,等.家兔皮肤成纤维细胞在体外培养中的成骨作用:显微缩时录像与四环素标记观察.中华骨科杂志, 1995, 15∶295-297.
[8]饶寒敏,徐荣辉,朱雅萍,等.成纤维细胞成骨潜能的体外培养研究.中华骨科杂志, 1995, 15∶845-848.
[9]饶寒敏,夏筠,徐荣辉,等.皮肤成纤维细胞成骨诱因的实验研究.美国中华骨科杂志, 1997, 3∶148-150.
(收稿:1997-05-08 修回:1997-10-26), 百拇医药