膝关节自体软骨细胞移植修复软骨缺损：MR成像评价生物力学指标

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.51.009

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (51): 8247-8252.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.51.009

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膝关节自体软骨细胞移植修复软骨缺损：MR成像评价生物力学指标

郭红斌¹，郭迎新²，余伟¹，丁春萍³，蔡中立⁴，李民阳⁵

南阳医学高等专科学校第一附属医院，¹放射科，⁴胸外科，河南省南阳市 473000；²社旗县人民医院神经内科，河南省南阳市 473000；³南阳医学高等专科学校第三附属医院骨科，河南省南阳市 473000；⁵郑州大学附属第一医院骨一科，河南省郑州市 450001

出版日期:2015-12-10 发布日期:2015-12-10
通讯作者: 李民阳，副主任医师，副教授，郑州大学附属第一医院骨一科，河南省郑州市 450001
作者简介:郭红斌，男，1966年生，河南省邓州市人，2003年华中科技大学毕业，副主任医师，主要从事医学影像诊断的研究。

Autologous chondrocyte transplantation for knee joint cartilage repair: MRI assessment of biomechanical changes

Guo Hong-bin¹, Guo Ying-xin², Yu Wei¹, Ding Chun-ping³, Cai Li-zhong⁴, Li Min-yang⁵

¹Department of Radiology, First Affiliated Hospital of Nanyang Medical College, Nanyang 473000, Henan Province, China; ²Department of Neurology, People’s Hospital of Sheqi County, Nanyang 473000, Henan Province, China; ³Department of Orthopedics, Third Affiliated Hospital of Nanyang Medical College, Nanyang 473000, Henan Province, China; ⁴Department of Thoracic Surgery, First Affiliated Hospital of Nanyang Medical College, Nanyang 473000, Henan Province, China; ⁵Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan Province, China

Online:2015-12-10 Published:2015-12-10
Contact: Li Min-yang, Associate chief physician, Associate professor, Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan Province, China
About author:Guo Hong-bin, Associate chief physician, Department of Radiology, First Affiliated Hospital of Nanyang Medical College, Nanyang 473000, Henan Province, China

摘要/Abstract

摘要：

背景：磁共振(MR)检查目前被认为是关节软骨的最佳无创性检查方法，通过MR检查可以发现软骨损伤及软骨下骨病变。
目的：磁共振成像观察膝关节软骨缺损自体软骨细胞移植修复后软骨生物力学指标变化。
方法：回顾性分析10例膝关节软骨损伤患者临床资料，均接受自体软骨细胞移植治疗。移植后随访12个月，分别于移植后3，6，12个月对患者进行膝关节损伤与骨关节炎评分(KOOS)和磁共振成像检查，了解软骨生物力学指标变化情况。
结果与结论：①膝关节损伤与骨关节炎评分：经比较，移植后3，6，12个月患者的疼痛、症状、日常活动、运动和娱乐、生活质量各项指标评分较移植前均出现显著提高(P < 0.05)。②患者软骨生物力学MR成像：移植后3个月，患者的软骨缺损部位均大的部分得到良好的填充；移植后6个月，移植软骨与周围软骨基本处于完全整合状态；移植后12个月复查，修复组织信号强度与周围组织呈现出良好的一致现象。随着时间的推移，移植区的T2值呈现出不断下降的情况。且移植后3，6，12个月的T2值均显著小于移植前(P < 0.05)；移植后6，12个月的T2值均显著小于移植后3个月(P < 0.05)；移植前与移植后3个月，移植区的T2值均显著大于正常区(P < 0.05)。结果表明，磁共振成像检查可以了解膝关节软骨缺损自体软骨细胞移植后不同时间软骨修复的生物力学情况，掌握治疗效果，是一种安全、无创的随访方式。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 组织构建, 软骨组织工程, 膝关节, 软骨缺损, 自体软骨细胞移植术, 生物力学, 磁共振成像, T2值

Abstract:

BACKGROUND: MRI examination is considered as the best noninvasive method to detect the articular cartilage. Cartilage and subchondral bone defects can be detected through MRI examination.
OBJECTIVE: To explore the biomechanical changes of the cartilage in articular cartilage defects of the knee after autologous chondrocyte transplantation through MRI examination.
METHODS: The clinical data of 10 patients with articular cartilage defects who underwent autologous chondrocyte transplantation were analyzed retrospectively. All patients were followed up for 12 months, and the Knee Injury and Osteoarthritis Outcome Score (KOOS) and MRI examination were performed at 3, 6, 12 months after transplantation.

RESULTS AND CONCLUSION: All the patients exhibited a great improvement in the KOOS scores in terms of pain, symptoms, daily activities, sports and entertainment, various indicators of quality of life at 3, 6 and 12 months after transplantation (P < 0.05). MRI findings showed that the injured cartilage was mostly filled well at 3 months; the transplanted chondrocytes were basically integrated with the surrounding cartilage tissues at 6 months; the signal intensity of the repaired tissues was consistent with that of the surrounding tissues. As time went on, the T2 value of the transplanted area showed a continuous decline. Moreover, the T2 values at 3, 6 and 12 months after transplantation were significantly lower than that before transplantation (P < 0.05); the T2 values at 6 and 12 months after transplantation were significantly less than that at 3 months after transplantation (P < 0.05); the T2 values in the transplanted area before and 3 months after transplantation were significantly greater than those in the normal region (P < 0.05). These findings indicate that MRI examination is a safe and noninvasive follow-up method to understand the biomechanical changes of the cartilage in articular cartilage defects of the knee after autologous chondrocyte transplantation and monitor the therapeutic efficacy.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

中图分类号:

R318

郭红斌，郭迎新，余伟，丁春萍，蔡中立，李民阳. 膝关节自体软骨细胞移植修复软骨缺损：MR成像评价生物力学指标[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(51): 8247-8252.

Guo Hong-bin, Guo Ying-xin, Yu Wei, Ding Chun-ping, Cai Li-zhong, Li Min-yang. Autologous chondrocyte transplantation for knee joint cartilage repair: MRI assessment of biomechanical changes[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(51): 8247-8252.

图/表（结果） 4

2.1 参与者数量分析按意向性分析处理，入组的10例患者均完成12个月的随访，并进入最终的结果分析，随访率为100%，未出现脱落病例。
2.2 患者情况及基线资料见表1。

2.3 移植后不同时间患者KOOS评分情况分析自体软骨细胞移植后随访12个月，分别于移植后3，6，12个月对患者进行KOOS评分，经比较，移植后3，6，12个月入组患者的疼痛、症状、日常活动、运动和娱乐、生活质量各项指标评分较之移植前均出现显著提高(P < 0.05)。见表2、图1。

2.4 患者移植后不同时间软骨修复生物力学MR成像情况分析自体软骨细胞移植前和移植后3，6，12个月，分别对患者进行软骨修复生物力学MR成像检查可以发现，移植后3个月，患者的软骨缺损部位均大的部分得到良好的填充；移植后6个月，一直软骨与周围软骨基本处于完全整合状态；移植后12个月复查，修复组织信号强度与周围组织呈现出良好的一致现象。检测T2值并进行比较可以发现，随着时间的推移，移植区的T2值呈现出不断下降的情况。且移植后3，6，12个月的T2值均显著小于移植前(P < 0.05)；移植后6，12个月的T2值均显著小于移植后3个月 (P < 0.05)；移植后6，12个月的T2值经比较差异无显著性意义(P > 0.05)。且移植前与移植后3个月，移植区的T2值均显著大于正常区(P < 0.05)；移植后6个月和移植后12个月，移植区的T2值均大于正常区，但经比较差异无显著性意义(P > 0.05)。见表3，图2。

2.5 典型病例分析患者，男，25岁，一次篮球比赛中不慎摔伤膝关节，感觉运动或上下楼梯时，疼痛难忍入院就诊。经临床查体和影像学检查，膝关节软骨出现损缺。结合患者临床症状和体征，征得患者及其家属同意之后，实施“基质诱导的自体软骨细胞移植”手术(见图3)。移植后48 h后开始进行循序渐进的功能锻炼及关节松动训练，移植后随访12个月，对患者进行磁共振成像复查，缺损处基本平整，植入软骨与周围软骨良好整合(见图4)。

2.6 不良反应 10例患者自体软骨细胞移植后均未发生过敏、炎症、免疫反应等不良反应。

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引言

材料方法

1.1 设计回顾性病例分析。
1.2 时间及地点病例来源于2013年7月至2014年7月南阳医学高等专科学校第一附属医院收治的膝关节软骨损伤患者。
1.3 对象纳入同期本院10例膝关节软骨缺损患者，其中男8例，女2例，年龄17-58岁，平均年龄(36.25±12.15)岁。一共涉及13个膝关节，软骨缺损面积0.4-8.1 cm2，平均面积(3.62±2.19) cm2。一共20个软骨缺损，软骨缺损位置统计：髌骨8个，股骨内踝8个，股骨滑车2个，股骨外踝2个。参照ICRS标准对软骨缺损程度进行划分，可得Ⅲ度12个，Ⅳ度8个。
此次研究的相关内容和方法均经本院伦理部门审核并批准，试验设计方案、项目进行中伦理问题等均符合要求。
1.3.1 纳入标准 ①符合膝关节软骨缺损诊断标准。②非长期卧床者。③对手术相关情况了解，并签署知情同意书自愿受试。
1.3.2 排除标准 ①不符合膝关节软骨缺损诊断标准者。②同时参加其他临床研究者。③身体一般情况差，有重大内科疾病或脏器功能衰竭并长期卧床者。
1.3.3 剔除标准 ①不符合纳入标准，或符合排除标准者。②未按照医生指导完成整个治疗者。③临床资料不完整者。
1.3.4 脱落(退出)标准 ①试验过程中接受其他会对试验结果产生影响的治疗者。②患者因为个人原因不愿继续接受实验者。
1.4 方法
1.4.1 磁共振成像检查对患者实施常规自体软骨细胞移植治疗^[4]，移植后随访12个月。
分别于自体软骨细胞移植后3，6，12个月使用高场强磁共振扫描仪以及l5通道膝关节表面线圈对对患者进行磁共振成像检查。检查过程中患者保持仰卧位，脚先进。扫描过程中保持膝关节位于线圈中央、扫描序列，并在患者患者静卧0.5 h之后进行T2mapping扫描。
1.4.2 评估指标 ①移植后不同时间患者膝关节损伤和骨关节炎结果评分(Knee Injury and OsteoarthritisOutcome Score，KOOS)评分情况。分别于自体软骨细胞移植后3，6，12个月对患者进行膝关节损伤与骨关节炎评分，评分指标包括疼痛、症状、日常活动、运动和娱乐、生活质量，得分越高说明患者膝关节损伤情况越轻。②患者自体软骨细胞移植后不同时间软骨修复生物力学MR成像软骨缺损修复情况。③患者自体软骨细胞移植后不同时间软骨修复生物力学MR成像T2值变化情况。
1.5 主要观察指标 ①自体软骨细胞移植后不同时间患者膝关节损伤与骨关节炎评分情况分析。②患者移植后不同时间软骨修复生物力学MR成像情况分析。
1.6 统计学分析试验数据均利用SPSS 19.0软件进行处理，利用x(_)±s方式对试验所得计量资料进行表示，组间数据比较予以单因素方差分析，对P值进行检测，数据同在统计学差异的标准设定为P < 0.05。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

讨论

软骨缺乏直接的血液供应、淋巴循环和神经支配，并具有低代谢的生理特点，主要依靠关节液营养^[9]。因此，软骨在发生损伤之后，自我修复能力非常有限，治疗十分困难，持续发展会导致骨关节炎^[10-12]。软骨组织的自我修复能力极其有限，以往进行治疗的时候，可以使用电流、电磁波、激光、超声、微波等刺激软骨细胞增殖。虽然取得了一定的疗效，但治疗效果往往疗效不尽如人意，最终只得通过人工关节置换来改善关节功能^[13]。但是人工关节是一种纯机械的装置，没有活性，没有修复能力，再加上每个人的关节与周围组织的发育不同，人工关节不能完全模拟正常关节的运动^[14]。且随着时间的推移，人工关节会发生磨损，有一定的使用寿命限制^[15-18]。而年轻患者预期寿命长，运动功能要求高，这些特点就限制了人工关节置换在年轻患者人群的运用。
随着组织工程与再生医学技术的快速发展，关节软骨损伤的治疗有了更多更新的方法，如自体骨软骨移植和软骨细胞移植技术的出现，最终为软骨缺损患者提供更为理想的临床解决方案^[19-22]。组织工程软骨移植技术，用自体的软骨细胞修复自体的软骨损伤，有很好的生物活性，体外增殖理论上能够满足最大的损伤面积^[23-26]。
此次试验结果显示，自体软骨细胞移植后随访12个月，分别于移植后3，6，12个月对患者进行KOOS评分，经比较，移植后3，6，12个月入组患者的疼痛、症状、日常活动、运动和娱乐、生活质量各项指标评分较之术前均出现显著提高(P < 0.05)。即表明，经自体软骨细胞移植治疗，获得了理想的软骨缺损修复效果，患者的各项功能等均得到显著的提高。在对患者自体软骨细胞移植术后不同时间的治疗效果进行分析的时候，可以采用磁共振成像检查方式^[27-28]。
试次试验过程中，使用高场强磁共振扫描仪对患者进行扫描并检测T2值。高场强磁共振扫描具有扫描速度快和扫描精度高等显著的优点，可以实现对人体不同部位的高质量成像，还能够完成骨关节及软组织等诸多脏器成像等，从而为临床诊断和治疗以及病情随访等提供诸多具有较高参考价值的依据^[29-30]。
试验过程中，在移植前和移植后3，6，12个月，分别对患者进行软骨修复生物力学MR成像检查可以发现，移植后3个月，患者的软骨缺损部位均大的部分得到良好的填充；移植后6个月，一直软骨与周围软骨基本处于完全整合状态；移植后12个月复查，修复组织信号强度与周围组织呈现出良好的一致现象。即表明，经软骨细胞移植治疗，在移植后获得了量良好的软骨修复效果。在关节软骨中，主要成分水和蛋白多糖以及Ⅰ型胶原，其中，蛋白多糖包含蛋白以及大量的负电荷的^[31-33]。T2值的具体数值大小会受到到软骨内胶原含量以及胶原纤维的水含量等因素的影响，但蛋白多糖不会对T2值产生过大的影响^[34-35]。因此，T2值可以对关节软骨内胶原的含量予以较为直观的展现，并对其含量、构象、水含量的变化情况予以较好的反映^[36-37]。
在试验过程中，通过对T2值的检测发现，移植后3，6，12个月的T2值均显著小于移植前(P < 0.05)；移植后6，12个月的T2值均显著小于移植后3个月(P < 0.05)；移植后6，12个月的T2值经比较无统计学差异(P > 0.05)。且移植前与移植后3个月，移植区的T2值均显著大于正常区(P < 0.05)；移植后6个月个移植后12个月，移植区的T2值均大于正常区，但经比较无统计学差异(P > 0.05)。随着时间的推移，移植区的T2值呈现出不断下降的情况。上述结果表明，在软骨细胞移植术后，在软骨修复过程中，胶原形成的含量会不断增加，导致T2值不断下降^[38-39]。并随着时间的推移，软骨胶原和水含量不断向着正常软骨方向相靠拢，最终与周围软骨整合相应的T2值也与周围正常组织之间基本一致，不存在明显差异^[40]。结果也表明，通过对患者进行磁共振成像检查了解移植后不同时间软骨修复的生物力学情况，掌握治疗效果。
综上所述，关节软骨损伤是常见的骨科疾病，临床诊治中经常发现患者因治疗不及时导致病情恶化。积极的实施自体软骨细胞移植治疗，可以获得理想的临床效果。移植后不同时间，利用磁共振成像方式对患者进行复查，可以通过一种安全、无创的随访方式，对移植软骨不同阶段的生化修复效果予以较好的评估，从而掌握更加全面的治疗相关信息。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

膝关节自体软骨细胞移植修复软骨缺损：MR成像评价生物力学指标

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