Small arthrogenous lower back pain combined with knee osteoarthritis: biomechanical significance of inclination angle of the small joints

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.07.016

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Low back pain is a normal syndrome in department of orthopedics. Moreover, most patients are consisted with knee joint degeneration. Through the conception of “knee-spine syndrome” has been proposed for a long time, the study which focused on low back pain and lumbar facet joints and degenerative knee is not quite easy to find.

OBJECTIVE: To summarize and analyze articles involved in the low back pain syndrome of small arthrogenous degeneration-induced lower back pain combined with knee osteoarthritis.

METHODS: We retrieved PubMed database and China National Knowledge Infrastructure for related articles published from January 1998 to August 2014. The key words were low back pain, knee osteoarthritis, lumbar facet joint, total knee replacement, block treatment, non-fusion techniques, inflammatory factor, drug treatment. Repeated articles and some low connected researches were excluded.

RESULTS AND CONCLUSION: A total of 157 articles were retrieved, and finally 60 articles were included. Present studies showed that small arthrogenous lower back pain could promote osteoarthritis progress. In pathophysiology, tumor necrosis factor-α and interleukin-1β, along with matrix metalloproteinase might play a significant role. As for the biomechanics, the meaning of angle in facet joint, with the inclination angle affected to osteoarthritis is the centre of study. As for clinical treatment, conventional closed treatment in the early stage can identify the source of the pain. For the patients with mild disease, fixation and functional exercises can be used to delay disease progress. In advanced patients, surgical treatment could restore functions and lessen pain.

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

全文链接：

Key words: Arthroplasty, Replacement, Knee, Low Back Pain, Osteoarthritis, Knee

CLC Number:

R318

Zhao Wen-jie, Zhang Bin, Dai Min. Small arthrogenous lower back pain combined with knee osteoarthritis: biomechanical significance of inclination angle of the small joints[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(7): 1070-1076.

Figures/Tables 1

2.1 病理生理学 2.1.1 炎性因子学说膝关节是人体最大的一个滑膜关节，也是人体主要的承重及活动关节。因为骨内压力增高导致的关节退变、各种炎性因子作用等综合情况导致关节多发改变[9]，最终导致关节内软骨的退行性变和继发骨质增生形成，造成患者关节活动障碍及疼痛。在各类腰椎间盘突出及腰椎管狭窄的患者中，均可发现明显的腰椎小关节增生退变改变。而腰椎小关节同膝关节相似，也为滑膜关节[10]，因此两者在病理生理学的发病机制上具有共通性。目前，关注较多的致炎物质主要有肿瘤坏死因子α、白细胞介素1β、转化生长因子β、脂联素、基质金属蛋白酶等[11]。其中，研究较多的主要为肿瘤坏死因子α和白细胞介素1β。肿瘤坏死因子α和白细胞介素1β：多量文献均报道，在退变的关节软骨及增生的滑膜组织可检测到明显的高表达白细胞介素1β和肿瘤坏死因子α[12]，其中肿瘤坏死因子α可诱导骨细胞产生过氧化反应，并与白细胞介素1β协同促进软骨吸收，加重骨关节炎软骨的破坏。白细胞介素1β的作用包括刺激软骨细胞和滑膜产生基质金属蛋白酶，刺激软骨细胞和滑膜产生一氧化氮，并促进软骨细胞和滑膜细胞产生前列腺素E2参与炎症反应等。在退变关节软骨及滑膜中，两者的协同效应导致最终发生关节的退变及产生疼痛的症状。转化生长因子β：目前有学者发现，在大鼠骨关节炎模型中，检测其转化生长因子β的表达，发现软骨细胞及成软骨细胞中转化生长因子β的表达减少[13]，提示转化生长因子β是骨关节炎软骨的保护因子。而在另外一项动物研究中，学者发现转化生长因子β信号不仅可以通过其ALK5受体也可以通过其ALK1受体，从而激活Smad1/5/8，在所构建的小鼠骨关节炎模型中因为ALK5受体表达减少而ALK1受体表达相对增多，增加基质金属蛋白酶13的表达，促进软骨的降解，提示转化生长因子β在软骨降解中也有一定的作用[14]。脂联素：脂联素是维持软骨动态平衡的一种关键物质[15]。已经有学者发现在人和鼠的软骨细胞中脂联素可表达AdipoRs，并且能够诱导NOS2。在脂联素增加培养的鼠软骨细胞可以释放白细胞介素6、基质金属蛋白酶3、基质金属蛋白酶9及MCP-1等，因此相应研究结果把脂肪因子与关节的炎症疾病的作用联系起来了，提示脂联素对于各类炎症因子具有明显的集聚作用。基质金属蛋白酶：基质金属蛋白酶广泛存在于结缔组织中，所发现种类超过20余种。基质金属蛋白酶按其作用底物的不同可分为5类：胶原酶(基质金属蛋白酶1，8，13)、明胶酶(基质金属蛋白酶2，9)、基质溶解素(基质金属蛋白酶3，10，11)、膜型(基质金属蛋白酶14-17)及其他基质金属蛋白酶(基质金属蛋白酶4-7，12，19，20)。有文献报道，在基质金属蛋白酶和disintegrin(响尾蛇毒)金属蛋白酶连同凝血酶致敏蛋白(ADAMTSs)在风湿性关节炎及骨关节炎的组织病理破坏中有明显作用，其可以降解细胞外的基质大分子[16]；同时两者对于组织修复也起到一定作用，但主要是作为过度表达导致的破坏性疾病过程的一部分。而另有文献报道，骨关节炎患者关节软骨破坏的严重程度与中性蛋白酶和胶原酶的含量与活性呈正相关[17]，基质金属蛋白酶与基质金属蛋白酶抑制剂之间的关系失衡是骨关节炎软骨降解的重要机制，因为其相对平衡被破坏而导致了软骨降解，因此导致骨关节炎发生[18]。 2.1.2 氧自由基学说自由基是含有1个或多个未配对的电子，具有很强反应活性的基团[9，19]，自由基可作用于软骨细胞胶原合成的转录、翻译、羟化等多个环节。正常生理情况下，机体具有强大的自由基防御系统，可将产生的自由基及时清除。但在病理情况下，自由基的生成增加，清除率下降，出现自由基堆积，诱发脂质过氧化增加。从而最终导致对局部组织产生破坏。在众多的氧自由基中，一氧化氮是一种高反应性细胞毒性自由基，可以对软骨细胞产生毒性作用，并且能够激活基质金属蛋白酶，促进胶原降解[20]。 2.1.3 免疫学说对于单纯应力所导致的骨关节炎，并不能完全解释其发生发展机制。在相关的实验研究中，有学者发现骨关节炎患者关节液中IgA、IgM和IgC的含量下降且有补体C3沉着，因而导致关节易感染，形成难以治愈的滑膜炎。但也有学者发现经检测骨关节炎患者血液中IgG的含量增加，认为免疫反应增强与骨关节炎的进展有相关性[21]。另有学者研究发现关节滑膜中浸润聚集的T淋巴细胞可以逐个激活CD69，CD25，CD38，CD43，CD45和组织相容性白细胞抗原(HLA)class Ⅱ，进一步导致抗原抗体反应，造成软骨细胞损伤，导致骨关节炎发生[22]。因此，在基础研究方面，目前已经研究得较为深入，已达到分子乃至基因水平，充分揭示了炎性物质在导致骨关节炎发生发展中的作用及机制。骨关节炎是一种复杂的关节疾患，其发生可能是一种因素或多种因素联合作用的结果，将来也必将进行深入的研究揭示其病变过程，取得更进一步的成果。 2.2 发病相关危险因素 2.2.1 年龄对于各类罹患膝关节骨关节炎及腰部退行性疾病的人群中，年龄是其中一项重要的危险因素指标[23]。相关膝关节骨关节炎危险因素研究发现年龄≥50岁患者的发病率明显高于< 50岁患者，因此年龄被公认为是膝关节骨关节炎发病的最强危险因素，全身各个关节骨关节炎的发病率与年龄存在明显的正相关性[24]。随年龄的增加，发病率呈现明显的上升趋势。在另外一项尸体解剖研究中也发现，年龄≤45岁时腰椎小关节软骨只发生微小变化；> 45岁时关节软骨发生明显变化，出现软骨下硬化和普遍骨质增生[25]。同样学者研究也发现，年龄> 60岁患者的腰椎退变比例明显高于≤60岁患者[26]。 2.2.2 性别目前文献报道均显示，女性膝关节骨关节炎发病率明显高于男性，女性绝经患者的发病率明显高于未绝经的患者[27]，这与许多文献报道均相对应。其中性激素在膝骨关节炎中所发挥的作用目前尚有争议[28]，有学者报道绝经期女性是否服用雌孕激素与膝骨关节炎无明显相关性，但也有文献报道服用雌孕激素女性的关节置换率降低15%[29]。软骨对雌激素较为敏感，软骨细胞核和细胞浆内具备特异性的雌激素受体，雌激素的降低可致使软骨退变，尤其以绝经后女性为甚，可能会加速软骨退变。另有相关研究发现，腰椎小关节软骨中同样存在一定的雌激素受体，并且雌激素受体数量与腰椎小关节骨关节炎的严重程度之间为正相关[30]。提示雌激素在绝经后女性的骨关节炎中起到了一定的作用，有可能加速了退变的进展。 2.2.3 肥胖目前，关节肥胖导致膝关节骨关节炎已经取得了广泛的共识。相关危险因素研究均发现[23-24，27]，对于体质量指数≥28 kg/m2的患者发病率明显高于体质量指数为24-27.9 kg/m2的患者，发病率随着体质量的增加而上升，高体质量人群骨关节炎的发病率要明显高于正常体质量的患者。但也有文献研究的结果指出女性超重会增加膝骨关节炎发病率[31]，而超重是否不增加男性膝骨关节炎的患病率还需进一步研究证实。而在腰椎退行性疾病中，体质量指数也同样起到了加速退变的作用。有学者发现对于体质量指数≥28 kg/m2的中老年患者而言，其发生腰椎退变的概率明显增加[32]。上述研究均显示，对于高出标准体质量指数的患者而言，其发生骨关节炎的概率会有所增加。 2.2.4 体力劳动对于高强度体力人群而言，其发生骨关节炎概率有所增高。在相关膝关节发病危险因素调查中，均显示对于劳动强度位于3至4级的患者，其罹患骨关节炎的概率较之劳动强度为1至2级的患者明显增高[23-24]。而其中究竟是劳动本身导致膝关节退变，抑或是因为结合身高指数的综合原因作用下导致的关节退变，目前则尚无统一说法。对于腰椎疾患的患者而言，相关流行病学调查显示在劳动强度较高的体力劳动者中，较之普通劳力劳动者而言，腰椎小关节退变的发生概率尚无显著差异[33]。 2.3 生物力学改变膝骨关节炎的发病机制常见如下肢力线改变、半月板组织缺失、软骨损伤及关节不稳等。而其中，下肢力线改变及关节不稳与腰椎退行性疾病密切相关，现在主要研究也集中在上述两方面。 2.3.1 下肢力线改变随着膝关节的退变，逐渐出现双膝关节的典型畸形变化，包括屈曲、伸直受限，患者持续保持双膝被动屈曲位，并伴有严重活动功能受限。Tsuji等[34]对于伴有腰痛的病历进行研究后提出了“腰-膝综合征”的概念，并指出伴随着膝关节的不断退变，伴随着相应的腰部疼痛症状也逐渐加重。这也是第一次正式提出“腰-膝综合征”的概念，并因此引起了学者们的广泛关注。在终末期膝骨关节炎中，常见畸形为膝内翻或者膝外翻[35]。伴随着下肢力线的改变，患者的腰椎前突角及骶骨倾斜角逐渐发生改变，进行性的发生减小[34]。患者的椎管内容积反而因此增大，腰椎本身疼痛症状并不明显。而一旦行膝关节置换后，患者力线得到了纠正，腰弯前凸角得到了纠正，进行性增加，同时恢复了骶骨倾斜角的正常角度，腰椎椎管内容积反而减少，术后可能出现腰痛症状加重，甚至产生间歇性跛行。因此部分患者需要反而后期行腰椎椎弓根螺钉内固定，缓解腰部症状[36]。另一方面，可以观察到在相应的腰椎退变或者腰椎间盘突出患者，腰椎小关节常常伴有增生以及肥大表现。而根据腰椎小关节的退变分型，位于Ⅱ、Ⅲ型之间的患者其腰部症状较为明显，均伴有显著地腰部疼痛以及下肢放射痛表现[37]。而目前针对膝关节退变及小关节退变之间的联系，目前尚无相关文献报道。两者之间关联性究竟如何，针对上述症状均具备患者，治疗方案选择的问题，目前均无统一认识。但大部分倾向于先期解决下肢症状，腰部症状以保守治疗为主，控制无效后则后期再行手术治疗[38]。 2.3.2 膝关节不稳膝关节是一个多重肌肉支配的活动度较大的关节，其稳定性主要依靠交叉韧带及神经肌肉力量维持，其中最为重要的肌肉主要为股四头肌。股四头肌力量减弱将导致膝关节稳定性下降，导致关节软骨磨损，加速膝骨关节炎的发生和发展，特别是髌股关节软骨退变[39]。已经有研究发现在腰椎间盘突出的患者中，以L3/4椎间盘突出为主，可明显导致下肢肌肉力量的减退及运动障碍，加速骨关节炎的发生[5，40]。而在腰椎小关节退变中，影像学分析也显示在大样本的影像学研究中，以L3/4，L4/5为主的小关节退变发生最多[41]，并且在基础动物实验中也发现存在着类似的规律[42]。随着对于腰椎小关节研究的进一步深入，更发现在各类的滑膜性炎症中，随着局部病变的加重，逐渐出现连锁性反应，一方面损害局部骨质结构，重构关节排列关系[43]；另一方面，通过神经支配的影响，进而改变力线的分布，导致患者屈膝弯腰，身体重心逐渐前移[44]，最终使得患者骨关节炎逐渐加重，造成终末期骨关节炎的表现，并出现相应的腰部损害症状。而上述症状相互掩盖，相互影响，造成了腰-膝综合征的相应改变。因为神经支配影响，导致骨性结构逐渐发生病理性改变，逐渐造成病理性肢体畸形，目前是对于腰部病变导致下肢症状的较为公认的一个结论。而进一步研究并揭示其中所包含的因素，有助于了解腰-膝综合征的发病机制，更进一步为其治疗及预防提供依据。 2.3.3 脊柱-骨盆参数改变脊柱-骨盆参数是一个综合性整体，包括腰椎前凸角、骨盆投射角、骨盆倾斜角、骶骨倾斜角、膝关节屈曲角等。目前对人体脊柱、骨盆及下肢力线间的相互关系的研究主要还是集中在脊柱序列和骨盆方面[45]。骨盆力线参数包括解剖形态参数(骨盆投射角)和姿势相关性参数(骶骨倾斜角、骨盆倾斜角)。Jackson等[46]发现髋关节的伸直角度与腰椎前凸和骶骨倾角具备关联性，严重的髋关节屈曲畸形可导致腰椎前凸的丧失。另外，腰椎前凸角与骶骨倾斜角及骨盆投射角存在相关性，相关研究结果显示骶骨倾斜角越大，腰椎前凸角越大，因此提示在实施腰椎前凸重建时，术中应重点参考骶骨倾斜角度[47]。因为骨关节炎导致的腰弯前凸角减少，进一步降低了骶骨倾斜角的角度，使得膝关节弯曲角度增大，最终使得二者退变增加，进展成终末期骨关节炎，因此不得不进行手术治疗进行纠正，并且其病理改变还可导致椎管或神经根管狭窄，从而引发神经损害的症状。因此，膝关节和腰椎二者相互影响，可形成恶性循环[48]。在上述病变进展中，腰椎小关节在其中所起到的作用到底如何现在尚无明确结论。因为腰椎的退变必然伴随着小关节突的退变增生[49]，在这两者之间的相互作用下，有可能加速下肢的退变进程。结合实际临床病例分析，也提示三者之间可能存在一个类似闭合环的结构模型，相互之间不断作用，最终导致出现相应的临床症状[50]。 2.4 腰-膝综合征的治疗随着现在对于腰-膝综合征认识的不断加深，对于其治疗也提出了多种方式方法。其中，小关节封闭以及膝关节痛点注射是目前用作诊断性治疗应用最多的一种方法[51-52]。使用肾上腺皮质激素(激素)及局部麻醉药(利多卡因、普鲁卡因)混悬液对病变关节进行封闭注射, 如腰部疼痛得到缓解, 则可明确诊断。一旦明确诊断之后，则再进一步采取相应的治疗措施。 2.4.1 非药物治疗常用的非药物治疗方法常规为转变不良生活方式、支具固定保护、物理治疗和传统医学治疗[51]。建议上述措施可以综合使用，以达到最佳效果。改善生活方式：最早的方法为采取改变生活方式得以缓解疼痛。教育患者使用正确的姿势进行站立及静坐, 减少小关节进一步损伤，常见如严禁久站久坐，坐位时保持骨盆前倾姿势，搬动物品时严禁直接弯腰，必须使用下蹲姿势。并且平时结合适当的体质量控制、平衡膳食以及适量的体育运动。支具固定：必要的支具固定是目前临床上使用较多的治疗措施[53]。针对日常工作时为主，采用支具限制腰部活动，减少局部疼痛，预防腰椎不稳。但需要控制使用时间及频率，以避免腰部肌肉的失用性萎缩。另外，同时结合冷敷或热效应物理治疗也有助于改善局部症状，缓解疼痛。传统医学治疗：对于社区医院而言，使用最广泛的是传统医学治疗方法，包括针灸、按摩及磁疗等，也有许多报道支持相应的治疗方式[54]。近年来交流行使用医疗性瑜伽及脊柱指压按摩以缓解部分患者的疼痛症状，但其最终效果仍需观察。 2.4.2 药物治疗目前临床上应用最多的治疗药物主要有以下几种: ①非阿片类镇痛药。②非类固醇抗炎药物。③阿片类镇痛药。④氨基葡萄糖胶囊。⑤玻璃酸钠。⑥肌肉松弛剂。其中，对乙酰氨基酚是最多用于治疗炎性疼痛的非阿片类镇痛药，其药理机制为可以抑制中枢部位前列腺素的合成。同时，非类固醇抗炎药物是骨科最基本的抗炎镇痛药物，对于各种炎症性疼痛都能发挥较好的抗炎镇痛功效。现在，新近兴起的COX-2抑制剂在临床上应用逐渐增多，目前已经成为治疗小关节源性疼痛的首选药物之一[55]。 2.4.3 手术治疗因为腰-膝综合征患者症状具有协同性，在早期行封闭及痛点治疗后，若一旦诊断明确为腰源性膝关节痛，则常规手术治疗腰部疾患以改善下肢症状。对于单纯为腰痛性膝关节疼痛的患者，常见治疗包括介入及手术治疗。其中，介入治疗是目前使用较多的一类治疗方式[56]，对于腰椎骨关节炎的介入方式主要有小关节突封闭、去神经术，以前者为应用最广泛的治疗手段。而目前手术治疗则主要分为非融合手术及融合性手术两大类。对于该两种方法的选择现在依然存在分歧。非融合手术如棘突间稳定术、小关节支撑术及小关节置换等[57]，短期效果报告较好，但是缺乏长期随访数据；融合性手术临床效果较明确, 但需要牺牲一定的关节活动度，并且对于合并腰椎不稳的患者，应用时需要严格把握其适应证[58]。对于另外一类因为膝关节本身病变而导致腰痛症状的患者，则建议早期行膝关节镜下滑膜清理术[59]，若效果不明显或已经达到终末期骨关节炎则后期再行膝关节表面置换。待患者术后关节疼痛症状缓解后，常规腰痛症状也同时得以缓解。而对于缓解不明显的患者，则可进一步验证是否存在腰椎管狭窄的现象，并注意其小关节的退变分期，明确具体腰痛原因后二期再行腰椎手术，缓解腰痛症状[60]。并且两种手术方式需要严格把握手术顺序，并注意术中无菌操作，防止术后内植物感染等不良事件发生。"

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