【摘要】：人工關(guān)節(jié)置換術(shù)作為治療嚴重關(guān)節(jié)炎的有效外科手術(shù)，已經(jīng)越來越普及。隨著人群的老齡化，關(guān)節(jié)置換手術(shù)大約以每年5%的速度逐漸的增加。而且隨著人群期望壽命的增加，非骨水泥假體越來越多的被應用于這些患者。隨之而來就出現(xiàn)了一個大問題，即越來越多的患者需要進行至少一次的翻修手術(shù)。假體無菌性松動大約占翻修病例的75%。為了進一步研究假體無菌性松動的機制，并試圖尋找相關(guān)預防和治療措施，一個能夠緊密模擬臨床假體周圍病理生理環(huán)境的動物模型至關(guān)重要。目前報道的假體無菌性松動動物模型有air pouch模型和顱骨骨溶解模型，這兩種模型的優(yōu)點是造模簡單，周期短，實驗結(jié)果較為穩(wěn)定，實驗成本低；骨收集室(bone harvestchamber，BHC)模型，優(yōu)點是造模簡單，可反復取材；以及關(guān)節(jié)置換模型等。然而，前三種模型都與臨床上真正的假體無菌性松動環(huán)境和作用機理相差甚遠，因為缺少了機械負荷和關(guān)節(jié)內(nèi)壓力的刺激。而向假體周圍或關(guān)節(jié)腔注射顆�？梢宰畲笙薅鹊哪M臨床上假體周圍的環(huán)境。 因此，本實驗試圖通過建立一種更為有效、更接近臨床松動假體周圍環(huán)境的動物模型來模擬假體無菌性松動的生理病理過程，并與其他造模方法作比較，從而進一步探討無菌性松動的機理。 在成功建立動物模型之后，我們制備了一種阿侖膦酸鈉-羥基磷灰石(alendronate-hydroxyapatite，ALN-HA)復合涂層，試圖通過此藥物復合涂層來提高假體的初始穩(wěn)定性，并抑制假體周圍的高骨更新率，同時對其效能進行廣泛評估。 進一步，我們制備了兩種類型的二膦酸鹽(bisphosphonates，BP)-HA復合涂層，分別使用的是高骨礦親和性(mineral-binding affinity)的ALN和低骨礦親和性的利塞膦酸鈉(risedronate，RIS)，并研究這兩種類型的復合涂層對于假體周圍骨質(zhì)和全身其他部位骨質(zhì)的影響。進一步探討B(tài)P-HA復合涂層抑制高骨更新率的機制和適用范圍，以便今后為不同骨更新率狀況的患者進行個體化假體表面涂層處理。 目前需要研究和解決的問題是： 1.缺少一種更為有效的、更加接近臨床松動假體周圍環(huán)境的動物模型。 2.能否使用更少數(shù)量的顆粒來成功誘導假體無菌性松動。 3.多因素相互協(xié)同作用在顆粒誘導假體無菌性松動過程中的重要作用沒有得到實驗的充分論證。 4.不同造模方法是否具有效果差異，是否是通過同樣的機制誘導假體無菌性松動。 5.顆粒刺激對于骨合成代謝的影響。 6. BP-HA復合涂層是否能夠有效抑制假體周圍高骨更新率。 7. BPs抑制顆粒誘導假體無菌性松動的機制。 8.低劑量BPs對于假體周圍骨生成是否具有抑制作用。 9. ALN-HA復合涂層的藥物釋放特性是否能滿足臨床要求。 10.不同骨礦親和性的BPs復合HA涂層對于假體周圍局部和全身其他部位骨質(zhì)骨更新的影響是否相同。因此，本實驗首先通過同時向假體周圍和膝關(guān)節(jié)腔單次注射UHMWPE顆粒誘導假體周圍高骨更新率，進而模擬臨床假體無菌性松動的局部病理環(huán)境，建立顆粒誘導的假體無菌性松動動物模型。進而在此模型基礎(chǔ)上，進一步研究BPs復合HA涂層假體對于假體松動的抑制作用和相關(guān)機制。 運用的檢測內(nèi)容如下： 1．X線測量 動物處死后即刻拍攝脛骨正側(cè)位X線，以確定假體安放于正確位置。 2．關(guān)節(jié)內(nèi)壓力(intra-articular pressure，IAP)測量 通過在不同時間點測量術(shù)側(cè)膝關(guān)節(jié)內(nèi)壓力，繪制壓力-時間曲線，通過關(guān)節(jié)內(nèi)壓力的變化評估慢性炎癥反應和骨-假體界面整合的程度。 3．組織學測量 滑膜：膝關(guān)節(jié)滑膜組織HE染色，分別用普通光鏡和偏振光鏡觀察，評估慢性炎癥反應和顆粒浸潤程度。骨-假體界面：通過計算骨-假體接觸率和界面的改良麗春紅三色染色切片，評估骨-假體界面的整合程度以及顆粒的位置。 4．骨組織形態(tài)學測量 動態(tài)骨組織形態(tài)學：進行四環(huán)素熒光雙標記，分別通過熒光切片和甲苯胺藍染色切片來計算以下動態(tài)骨組織形態(tài)學參數(shù)：類骨質(zhì)表面(osteoidsurface，OS/BS)、骨形成速率(bone formation rate，BFR/BV)和骨礦沉積率(mineral apposition rate，MAR)。 靜態(tài)骨組織形態(tài)學：通過micro-CT測量以下靜態(tài)骨組織形態(tài)學參數(shù)：骨體積分數(shù)(bone volume fraction，BV/TV)、骨小梁厚度(trabecular thickness，Tb.Th)、骨小梁數(shù)量(trabecular number，Tb.N)、骨小梁分離度(trabecularsepration，Tb.Sp)和結(jié)構(gòu)模型指數(shù)(structure model index，SMI)。 5．骨礦化 通過Von Kossa染色切片來計算骨皮質(zhì)處的鈣鹽沉積島平均面積和鈣鹽沉積島面積分數(shù)。通過micro-CT測量松質(zhì)骨的骨密度(bone mineraldensity，BMD)。 6．生物力學測量 通過假體頂出實驗描繪負荷-位移曲線，并根據(jù)曲線計算最大頂出力(maximum force，MF)、表觀抗剪強度(apparent shear stiffness，ASS)和總能量吸收值(total energy absorption，TEA)。 7．掃描電鏡 分別在普通模式和背散射模式下觀測。在普通模式下觀察骨-假體界面的整合，在背散射模式下測量距離假體表面0-100μm，100-200μm，200-500μm和500-800μm處的礦化骨體積分數(shù)(mineralized bone area fraction，M.BAF)，輔助評估骨礦化能力。 8．細胞因子測定 促炎細胞因子：測量血清或關(guān)節(jié)液中的腫瘤壞死因子α (tumor necrosisfactor-α，TNF-α)、白細胞介素1β (interleukin-1β，IL-1β)、IL-6和基質(zhì)金屬蛋白酶1(matrix metalloproteinases-1，MMP-1)，，評估慢性炎癥反應程度。 骨更新標志因子：測量血清或關(guān)節(jié)液中的骨保護素(osteoprotegerin，OPG)、核因子受體激活劑配體(receptor activator of NF-κB ligand，RANKL)、骨特異性堿性磷酸酶(bone-specific alkphase，B-ALP)和抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase，TRACP-5b)，評估骨更新水平。 9．阿侖膦酸鈉體外釋放周期通過繪制ALN體外釋放曲線，評估此復合涂層假體的藥物緩釋能力。 我們得出了以下結(jié)論： 1.顆粒刺激對于假體穩(wěn)定性的影響包括顆粒在骨-假體界面的浸潤、促炎細胞因子的釋放、關(guān)節(jié)內(nèi)壓力升高、炎性界膜形成、慢性炎癥反應、骨顯微結(jié)構(gòu)的破壞、骨更新率升高、骨礦化受到抑制和膠原代謝異常等病理過程。 2.假體周圍和關(guān)節(jié)內(nèi)同時注射顆�？梢栽谠缙诖龠M骨溶解相關(guān)因子之間的相互作用，使得僅用107顆粒就能成功誘導假體周圍高骨更新率，進而模擬臨床假體無菌性松動的局部病理環(huán)境。 3.證實了顆粒刺激、關(guān)節(jié)內(nèi)壓力升高、機械負荷和促炎細胞因子之間的相互作用在假體無菌性松動過程中起到重要作用。 4.顆粒能夠自由的遷移是維持假體周圍的慢性炎癥反應和高骨更新率的關(guān)鍵。 5.假體無菌性松動不單單是一個破骨性骨吸收過程，同時也是骨生成和骨吸收平衡的破壞。 6.局部釋放的BPs通過抑制假體周圍過高的骨更新率而改善假體周圍的骨質(zhì)和骨量，促進骨-假體界面的整合封閉，阻止顆粒的遷移，抑制假體周圍的慢性炎癥反應。 7. HA涂層復合低劑量BPs在抑制假體周圍骨吸收的同時，對于假體周圍骨生成沒有抑制作用。 8. ALN從ALN-HA復合涂層上釋放是一個前期快速大量釋放、后期緩慢少量持續(xù)釋放的雙相過程，此釋放特性有利于骨-假體界面的早期整合以及假體周圍持續(xù)低劑量藥物濃度的維持。 9. ALN-HA復合涂層在體外可維持至少12周假體周圍藥物濃度在0.6μM以上。理論上此類復合涂層具有自我調(diào)節(jié)功能，可滿足長期體內(nèi)緩釋的需求。 10.不同骨礦親和性的BPs具有不同的擴散能力，這也是高骨礦親和性的BPs能夠在假體周圍維持穩(wěn)定的藥物濃度，進而對于改善假體周圍骨質(zhì)更為明顯，而低骨礦親和性的BPs易于擴散至全身，進而對于改善全身其他部位骨質(zhì)更為明顯的原因。 11.對于將來臨床相關(guān)藥物復合涂層假體的設(shè)計和選擇很有指導意義，可以根據(jù)患者局部和全身的骨更新率狀況來選擇性的將不同骨礦親和性的BPs單獨或同時復合到HA涂層上，進行個體化假體表面涂層處理。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：第四軍醫(yī)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：R318.17

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本文編號：2283895