金属离子在骨溶解中作用的研究进展*

陈金财(综述)，姬广林(审校)

(赣南医学院　1.2014级硕士研究生；2.第一附属医院骨科，江西　赣州　341000)



金属离子在骨溶解中作用的研究进展*

陈金财1(综述)，姬广林2(审校)

(赣南医学院1.2014级硕士研究生；2.第一附属医院骨科，江西赣州341000)

目前骨溶解和无菌性松动仍然是假体植入失败的主要原因。金属离子是骨溶解的主要发起者之一，它们使关键的炎性细胞因子浓度增加，刺激破骨细胞，促成了骨溶解和无菌性松动的发生。本文主要对金属离子在骨溶解中扮演炎症发起者的作用作一综述。

金属离子;骨溶解;关节置换

过去30年间，人工关节置换术取得了巨大的进步，能更好的恢复患者自主活动，缓解疼痛，提高了数百万人的生活质量[1]。目前，大多数人工关节置换用于治疗骨性关节炎、股骨头坏死等[2]。伴随着越来越多的人接受关节置换，关节翻修的人数也大幅增加，在几种常见的导致关节置换术后翻修的病因中，骨溶解是最常见的，占75%；另外，感染占7%，复发性脱位占6%，假体周围骨折占5%，手术操作失败占3%[3]。因此，了解骨溶解及其病理生理对于治疗人工关节无菌性松动是非常重要的。

未来治疗人工关节无菌性松动的方案包括改善植入物的设计，用药物靶向性抑制磨损颗粒以及金属离子诱导的生物级联反应，以此来降低骨溶解的发生，进而延长假体的使用年限[4]。这些治疗方案的目的是减少手术翻修率，然而，这些治疗理念并不完美，他们没有成功预防骨溶解[4]。对其进一步深入的研究已迫在眉睫。

1　磨损颗粒的产生及毒性

磨损颗粒是由机械的剪切力以及关节面之间的摩擦，最终磨损了植入的假体产生的[5]。关节腔中磨损颗粒产生的量是多个变量共同作用的结果。有研究报道称，髋臼角度的增加，有助于关节腔中产生更多的磨损颗粒以及在关节腔中循环的金属成分[5]。然而，也有一些报道称髋臼倾斜的角度与金属磨屑和离子的释放没有多大关系[6]。随着时间的推移，关节腔中产生的磨损颗粒不能被免疫系统清除，刺激巨噬细胞及破骨细胞，最终引起炎症反应，进而引起关节松动[7]。目前被报道的引起骨溶解的磨损颗粒包括骨水泥，金属，聚乙烯，陶瓷关节面，内固定材料以及表面涂层[8]。

在金属颗粒诸多性状中，如不同成分，浓度，形状，大小等，颗粒的大小似乎有更大的生物学效应[9]。特别是当每个细胞中磨损颗粒浓度为10～100 μm3时，其活性是最强的；此外，90%的颗粒大小小于10 μm的细胞毒性较小，从而更容易被巨噬细胞吞噬，并启动免疫反应导致骨溶解和骨吸收；不被吞噬的磨损颗粒是没有能力刺激巨噬细胞分泌炎症因子的，因此临床相关的磨损颗粒的大小为0.1～10 μm[9]。

2　离子释放机理

不锈钢、钴-铬-钼，纯钛，钛合金(TiAl6V4)，钛-镍是经常使用的生物材料，因为其具有高耐腐蚀性和持久性。金属有很高的耐腐蚀性与他们表面氧化膜有关。这层表面的氧化膜是重要的离子释放抑制剂。当离子被释放时，它们必须遵循电化学规律进行。该规律规定当离子被释放时，整个过程中必须有一个相等的电子转移量。此外，为了离子的释放，表面的氧化膜必须被破坏。大量回顾性的研究已经通过记录表面氧化膜组成的改变，证实了这种破坏确实存在。其他的假体周围的电解质或生物分子也可能影响离子的释放，因为他们有能力携带电子。在金属假体的周围环境中氨基酸，蛋白质，溶解氧，无机离子，以及细胞都有助于加速金属离子的释放。人体内pH值的变化，也是一个潜在的离子释放加速器。在那些离子进入人体更频繁的地方，金属离子被释放也相对容易。整个过程中表面的氧化膜起到阻碍其释放出来的作用[10]。

表面氧化膜破坏后，通过阳极溶解和过敏反应，允许离子释放到周围的环境中。阳极溶解是金属离子释放和金属离子返回假体的一个动态过程，金属离子的释放和返回同时发生。对于最终发生的金属离子的释放，整个过程中金属离子的释放必须比返回更快的进行。这些生物材料的电势变化通常很小，因此，金属离子的释放通常是比较缓慢的。在过敏反应过程中，巨噬细胞粘附在金属假体表面直接识别金属假体为一种异物，启动级联炎症反应[10]。

3　金属离子与免疫反应

3.1炎症级联反应磨损颗粒和金属离子引起的免疫反应尚未完全阐明。目前被大家认可的骨溶解仍然是开始于关节表面的机械磨损。因磨损而产生磨损颗粒被巨噬细胞吞噬，从而通过不同的机制刺激破骨细胞，导致骨吸收[11]。这些刺激破骨细胞的机制包括趋化因子和细胞因子的释放，诱导蛋白酶的表达增加，巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)表达增加，成骨细胞的抑制或者凋亡，RANK配体过度表达以及其他一些机制[9，12-16]。

巨噬细胞释放的主要趋化因子包括单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、巨噬细胞炎症蛋白-1a(MIP-1a)、趋化因子配体-18(CCL-18)等，这些趋化因子将破骨细胞和假体周围组织联系在一起[12，17]。巨噬细胞释放的主要细胞因子包括前列腺素E2(PGE2)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素-1β(IL-1β)和白细胞介素-6(IL-6)等，它们引起受体激活因子-κB配体(NF-κB)或NF-κB 受体激活因子(RANK)配体的释放[12，18-19]。金属离子对这些炎症因子起着不同的调节作用，例如，Nikki等[20]发现金属离子镍(Ni)、铜(Cu)、铬(Cr)、铁(Fe)能增强IL-1β、IL-6和TNF-α的表达，以及提高RANK配体的DNA结合活性。RANK配体结合到位于破骨细胞的RANK受体上，而引起骨吸收[21]。金属离子钛(Ti)，钴(Co)，铬(Cr)也被证明能刺激IL-1β、TNF-α和IL-6的释放[22]。此外，TNF-α被认为是一个关键的发起者，因为TNF-α能刺激RANK配体导致破骨细胞激活[23]。在相同浓度下，钼暴露产生炎症反应最弱，铬产生的炎症反应最强，其次是钴和镍(Cr>Co>Ni>Mo)[14]。

3.2钛诱导炎症级联反应和过敏反应常见的髋关节假体的钛合金包括钛合金(TiAl6V4)，钛318，和钛350[24]，而钛假体释放的离子大多数是钛(IV)[25]。已经观察到这些钛离子促进钛特定的 T细胞分化成IL-4分泌Th2细胞，而树突细胞暴露于钛离子中增强了钛特定的 T淋巴细胞增殖[15]。树突状细胞是适应性免疫系统的一部分[25]，钛暴露于这些细胞中，导致细胞因子IL-12显著增加；细胞因子IL-10,、转化生长因子-b1(TGF-b1)和转化生长因子-b2(TGF-b2)的产生大大降低；细胞因子IL-1β、IL-4、IL-6、TNF-α、转化生长因子-b3(TGF-b3)的产生不受影响，重要的是，IL-12刺激Th1反应，同时IL-10抑制Th1反应，因此树突状细胞暴露于钛离子中，会增强Th1免疫反应[15]。

大量的钛(Ti)颗粒还能降低细胞活力[26]。巨噬细胞吞噬钛磨损颗粒释放的高水平的前列腺素2(PGE2)，长期暴露高浓度的前列腺素中有利于骨吸收，而且PGE2能正反馈作用于本身，使自己的含量大大增加，同时还能增加RANK配体的成骨细胞的产量[21]。

此外，随着不同的金属离子释放进入全身循环，他们可以结合血清蛋白形成半抗原或半抗原复合物。这些半抗原或半抗原复合物由T淋巴细胞作为抗原识别，并且能引起过敏反应。T淋巴细胞和辅助细胞通过抗原提呈细胞(APC)和Ⅱ类主要组织相容性复合体(MHC)与这些抗原相互接触。导致炎性细胞因子被分泌出来，招募并激活巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞等炎症细胞。以这样的方式分泌的细胞因子包括IL-3、IL-6、IL-1α/ B、INF-γ、TNF-α/B、单核细胞趋化激活因子(MCAF)、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)和巨噬细胞移动抑制因子，其中GM-CSF能刺激粒细胞的造血作用，巨噬细胞移动抑制因子可防止炎症细胞离开炎症区域。随着金属离子释放量的增加，炎性细胞因子TNF-α、IL-6、IL-1β的含量也随之增加[16，27]。一旦被激活，巨噬细胞将进一步促进MHC Ⅱ类分子的活化和释放IL-1激活更多的辅助性T细胞[15]。引起上述反应最常见的金属是镍、钴和铬[27-28]。

3.3铬、钼和铁诱导炎性级联反应和过敏反应目前用于手术的金属假体主要是纯钛、钛合金(Ti-Al-V)、不锈钢(SS316L)和钴-铬-钼(Co-Cr-Mo)合金[29]。Co-Cr-Mo合金，由于其耐磨性是为数不多的材料用于金属-金属髋关节假体。然而，金属-金属假体是离子释放的主要来源，这些离子已被证明存在局部和全身循环[30]。研究显示[31]，假体松动的患者与那些假体稳定的患者相比，在统计学上他们的全身血液循环中拥有更多的离子，通常血液中铬和钴离子的浓度分别是0.5 μg·L-1和0.8 μg·L-1，如果患者置换了铬钴合金髋关节，血液中铬和钴离子的浓度也会随之上升。因此，血清铬和钴的水平已被证明是评价一个关节假体磨损的可靠指标[31]。

这些金属离子不仅造成超敏反应，氧化应激，也刺激促炎症细胞因子的分泌，而这些促炎症细胞因子最终导致金属假体的骨溶解。catelas等[30]也发现Co和Cr离子是以时间依赖性诱导TNF-α分泌的。Caciedo等[14]发现金属离子Co2+、Cr3+、 Mo5+都是以浓度依赖的方式诱导炎症因子IL-1β分泌的。大量的离子释放造成TNF-α分泌量与离子分泌量剧增；但是，只有铬离子被证明诱导TNF-α分泌具有时间依耐性[30]。Shrivastava等[32]认为随着Co和Cr离子诱导TNF-α和PGE2释放，巨噬细胞被孵化逐渐发育成熟。然而，炎症细胞因子IL-1β和IL-6并没有随着Co和Cr离子浓度的增加而增加，这和caciedo等的骨溶解和骨吸收是巨噬细胞吞噬了Co和Cr离子的最终结果的观点不同。最后，Niki等也报道了除了铬和钴以外的铁离子，也以剂量依赖性的方式促进炎症因子IL-1β、TNF-α、IL-6的分泌。这些炎症因子通过激活破骨细胞，引发骨溶解[20]。

4　成骨细胞的抑制作用

金属离子不仅被证明刺激炎性因子的释放，最终激活破骨细胞，还能抑制成骨细胞功能[33]。Dalal[34]的研究观察到钴和铬离子的释放，增加了由巨噬细胞分泌的促炎性因子的释放。这些研究还表明，这些金属离子的释放，具有抑制成骨细胞的作用。然而，对成骨细胞的毒性最强的金属依次为是钒，锰，铁，镍。对成骨细胞毒性最小的依次为是钴和铬[35]。国内也有学者认为，Co2+、Cr3+金属离子能明显促进成骨细胞凋亡,且在24 h凋亡率最高[36]。因此，金属离子抑制成骨的作用也被认为是假体植入失败的原因[37]。

5　炎症小体的激活

Caicedo等的研究还发现Co-Cr-Mo合金假体释放的金属磨屑，能激活炎症小体，这些炎症小体在骨髓细胞中表达，是先天免疫反应的一部分。炎症小体最终促进炎症因子IL-1β，TNF-α和IL-6的分泌，但巨噬细胞等髓样细胞必须首先被金属磨损颗粒或离子激活，才能激活caspase-1，这样建立的炎症级联反应将激活促炎症转录因子NF-κB，导致细胞因子的释放，破骨细胞的激活，最终导致骨吸收；没有激活caspase-1就没有IL-1β的释放，这将导致破骨细胞活性降低，最终甚至使钴、铬、钼溶解失去活性[14]。

6　骨保护素

骨代谢不仅受RANK配体调节，而且还受骨保护素(OPG)的调节，OPG与RANK受体竞争性结合到RANK配体上，是RANK配体先天的负性调节因子。RANK配体诱导破骨细胞活化和骨吸收；因此，OPG会阻碍破骨细胞的活性，减少骨吸收[38]。骨吸收其他负调节细胞因子包括IL-4、IL-10、IL-12、IL-18、IL-13、IFN-γ和IFN-b[39]。然而，已发现TNF通过T淋巴细胞、B淋巴细胞、内皮细胞、基质细胞、成骨细胞、成纤维细胞和滑膜成纤维细胞刺激RANK配体的产生[9，38-39]。此外，TNF通过诱导前列腺素、IL-1、IL-6和IL-17的上调表达，间接增加巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)和RANK配体的表达[9，38-39]。成骨细胞和滑膜成纤维细胞也分泌M-CSF进一步诱导破骨细胞活化[39]。TNF与RANK配体被证明是骨溶解关键的引发者，已经提出抗TNF药物和RANK受体-RANK配体调节剂如OPG是治疗骨溶解潜在的药物[38]。

7　结　语

本文着重阐明了理解骨溶解途径导致骨吸收和假体松动的重要性。主要从细胞因子，趋化因子和多种细胞信号介绍了骨溶解的机制。分析了以钛金属离子为主的过敏反应，重点讲述了T淋巴细胞对外科金属植入物产生的特异性抗原抗体反应。此外，本文还研究了金属离子对成骨细胞的抑制作用，使炎症小体活化的机制以及骨保护素在骨溶解中的作用。通过阐明金属离子与炎症级联反应在骨重建与骨吸收之间关系，知道了金属离子的产生增加了关键炎性因子的释放，并且最终刺激破骨细胞导致骨溶解。因此，可以证明金属离子是骨溶解中炎症的引发者之一。

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Research Progress on the Role of Metal Ions in Osteolysis

CHENJin-cai1，JIGuang-lin2

(1.GannanMedicalUniversity;2.Dept.oforthopedics,FirstAffiliatedHospitalofGannanMedicalUniversity,GanzhouJiangxi341000)

Currently, osteolysis and aseptic loosening are major causes of implant failure. As one of the main factors causing osteolysis, metal ions increase the level of key inflammatory cytokine, stimulate the osteoclast, and thus promote the progress of osteolysis and aseptic loosening. Here, we reviewed the role of metal ions as the inflammatory source in osteolysis.

Metallic ions；Osteolysis；Joint replacement

江西省教育厅科学技术研究项目(编号：GJJ13683)

姬广林，男，主任医师，教授，硕士生导师。E-mail：ganyiguke@163.com

Q954.65+8

A

1001-5779(2016)03-0477-05

10.3969/j.issn.1001-5779.2016.03.053

2016-04-29)(责任编辑：敖慧斌)