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第一节 关节软骨的结构改变
一、 大体观察
软骨的局部软化往往与其表面的少量、天鹅绒样组织结构碎裂相关联。在这些部位,可见到沿基质中胶原纤维轴向走行的裂隙。在关节面表浅层发生的组织碎裂过程被称作“剥落”,当上述变化进展至更深处的放射层时,即被描述为纤维化。因为关节面上出现的微小不连续病变,在大体标本中能被墨汁所着色,故可进行定量研究。伴随着下方骨皮质的进展性剥落,纤维软骨的磨损现象将出现(图4-1)。关节面上承载最大负荷或切应力的部位易于遭受破坏,这无疑将直接导致内翻畸形的出现。新近的临床研究提示,在超重女性群体中双侧胫股关节OA的形成与膝关节的内翻畸形关联密切。然而,最早的纤维化现象往往出现于股骨头中承受压力很小的部位。髌骨软骨中间部位的小平面是最易于受到磨损的部位,它虽然不属于负重关节面,但在完成爬行或下蹲等屈膝动作时,通过杠杆作用将使髌骨承受巨大的负荷。
图4-1 膝关节退行性病变
在髌骨关节面与股骨髁上可见大面积的关节磨损现象,后者基本占据了关节面的中心部位并向边缘部延伸,磨损区边缘部的软骨已纤维化变。关节面周缘的不规则突起即骨赘
二、 显微镜观察
(一) 软骨细胞数量的变化
个体一旦进入成年期,关节软骨(arthritis cartilage,AC)中软骨细胞的单位体积内数目随年龄变化很小。在OA中软骨细胞的缺失可见于AC各层。OA中软骨细胞的凋亡现象已越来越多地得以证实。Kim等认为正常的软骨细胞是维持细胞外基质稳定的必要条件,细胞凋亡是OA关节软骨退变的关键因素之一。OA患者AC中有18%~21%软骨细胞表现出凋亡特征,远高于正常AC中的2%~5%。多数学者认为软骨细胞凋亡与基质降解密切相关,与微小瘢痕相关联的细胞碎屑可经常见诸相关的研究中。
然而,AC的镜下表现中也可见到局部的软骨细胞增殖现象。早先的文献已记述到软骨软化区周围毗邻的软骨细胞数目增多,以及软骨陷窝周围基质对苏木精的亲和力增强。近期的文献强调了软骨细胞合成功能的增强,包括在软化区内对胶原与降解酶的合成。现已明确的是软骨细胞数目增多的特征是位于纤维化和软骨软化区相毗邻的每个陷窝内细胞数目翻倍(图4-2)。尽管有人记述OA中化生的软骨细胞可迁移形成上述现象,但占优势的证据仍支持上述“克隆”现象的生理基础为有丝分裂。现已证明,与剥蚀性病灶并存的增殖软骨细胞含有不稳定的四倍体DNA。研究者已发现,OA患者的软骨细胞经体外处理可表达端粒酶活性,实现扩增,从而具备修复AC缺损的潜能。另有研究证实,在OA的滑膜与软骨中三倍体DNA为一种获得性的突变基因型。也可见到体积增大、表型改变的软骨细胞,在软骨深层区尤为明显。现已表明,这些细胞可产生Ⅹ型胶原蛋白,后者通常与骺软骨的肥大细胞区相关联。
图4-2 膝部OA远端胫骨关节面的显微图像,显示纤维化组织毗邻区中软骨细胞的增殖现象(20 ×)
在纤维化区域,AC表面的连续性被破坏。背景物质的异染性降低,软骨基质呈现纤维化及散乱的外观,胶原纤维的双折射特性增强,软骨细胞团块紧邻裂隙的边缘分布(图4-3)。关于这些细胞在体内或体外增殖及生成蛋白聚糖的活性已有大量文献记述。在细胞增殖团块中,胶原蛋白很少甚至见不到,因而推测所生成的包括胶原蛋白酶在内的软骨溶酶分解了基质成分,为新生细胞创造了空间。
这些细胞团块的命运已成为学者们争论的议题。尽管见到小范围的渐进性细胞坏死,但这种坏死并不仅限于细胞增殖团块。上述团块中的细胞处于活跃的代谢状态。当严重的病灶破坏了周围的基质时,片状的软骨细胞增殖则可见于更深层的部位,且该处的基质呈现一种苍白的黏液状外观。有证据显示,随着Ⅱ型胶原蛋白合成的增多,其降解产物也出现于OA的软骨中。然而,随着OA病变的进展,机体可能会转而合成Ⅰ型及Ⅲ型胶原蛋白,后者大多沉积于基质中的软骨细胞周围。在这些增殖活跃的细胞团块中,已证实了Ⅹ型胶原蛋白的存在,同时,为OA时软骨的肥大提供了进一步的证据。其可能的机制是,上述区域中原有的胶原蛋白遭到了相应酶类的破坏,蛋白聚糖缺失后发生胶原蛋白的降解,继而机体将力图修复上述结构。
另有研究者对病灶区周围的软骨组织也进行了记述,发现在同一关节中软骨细胞的生物合成活性增强。在进展期的病灶中所出现的大量软骨是一种新生且不成熟的类型。因而,修复的软骨通常是透明软骨与纤维软骨两种成分的混合物,往往具有纤维软骨的组织学与组织化学的特征,与原先的透明AC相比含有明显粗大的胶原纤维及数量减少的基质蛋白聚糖。在骨赘生成部位,早先的透明软骨及软骨下骨表面多次覆盖了纤维软骨和纤维组织的混合物(图4-4)。在许多病例,修复的软骨还将出现继发性的退变与纤维化,致使其组织学表现更为复杂。结果,基质的组织化学与免疫细胞化学特征更为多样化。换言之,关于OA软骨的生物化学和分子学研究常常产生各不相同的结果,这有赖于受检样品中原有软骨、修复软骨及纤维软骨的混杂状况。
图4-3 AC纤维化边缘部基质中胶原纤维裸露并呈磨损样外观。软骨细胞增殖团块形成所谓的“巢囊”现象
图4-4 骨赘形成
新的软骨面包括细胞修复软骨(a)与软骨下骨(b),它们位于原有透明软骨上方,后者最终将为双向进展的软骨骨化所替代(50 ×)
(二) 软骨基质的变化
软骨纤维化,见于大多数受检的早期OA病例,其特征为细胞外基质浅层的裂开。这使得软骨外观呈丝绒状(图4-5),而不像正常状态的平滑且富有光泽。许多表现为软骨纤维化的病例显然并未进展至具有临床意义的OA阶段,但这种病理表现通常与OA密切相关。尽管软骨纤维化的表现模式可有别于先前的记述(图4-6A、B),但在显微镜检查中,它与软骨深层裂隙和软骨细胞增殖并存,其中的裂隙提示可能有更明显的软骨基质溶解(图4-7)。所谓的“裂解”显然不如纤维化更常见,但可以肯定它是软骨损伤过程中一个更为明确的阶段。此时,垂直撕裂得更深,常常延伸至软骨钙化区,并同时伴有水平撕裂(图4-8)。类似的改变可见于有关半月板纤维软骨退变的描述。上述裂解现象可肉眼观察到,且常与负重区的软骨剥蚀现象并存,后者属进展期OA的特征表现。可以说,退变最早表现为表层软骨出现纤维化,并伴有与关节面平行的软骨表层劈裂。以后劈裂逐渐向软骨深层发展,直至最后侵及软骨下骨。
图4-5 AC浅表层即将脱落的纤维组织碎片(20 ×)
图4-6 A.55岁男性尸检所见膝关节内胫骨关节面大体图像 本图片的摄制应用了紫外光,反映了关节面上更多的细节内容,可见胫骨平台内外侧关节面的纤维化,缺乏半月板覆盖的部位尤为显著。B.与前者相对应的股骨关节面,也以同样方式拍摄。关节面上未见纤维现象。在退变性关节疾病的早期阶段,纤维化现象往往见于相对应关节面的一侧。这与骨质象牙化现象形成鲜明的对照,后者可累及两侧关节面
AC的软化与纤维化并存,且已被描述为进展期OA的早期表现之一,这在年轻病例的早发型髌OA(髌软骨软化)中尤为突出。然而,年轻人的软骨软化与进展期OA两者的组织学表现不同。而且,髌软骨软化若不伴发排列错乱,通常不进展为表现明显临床症状的OA。软骨软化通常伴随基质中某些类型的蛋白聚糖缺失,还可伴发蛋白聚糖种类的变化。在表现严重的病例中,这将导致软骨剥蚀及软骨下骨的裸露。基质蛋白聚糖的缺失也可使胶原纤维裸露,终致胶原纤维网的破坏和消失。
图4-7 OA中因软骨基质溶解所形成的裂隙(20 ×)
图4-8 AC中因纤维化现象引发的组织裂解累及潮线区(40 ×)
基质中少量的脂肪沉积代表了OA早期软骨中出现的退变;这些沉积的脂肪可持续增多,在软骨细胞陷窝中形成脂滴。即使在发生纤维化之前,在软骨细胞及软骨基质中也会随年龄增长出现越来越多的甘油三酯及其他脂类成分。前列腺素的前体花生四烯酸也会增多,但其分布限于软骨浅表层。
软骨陷窝内破软骨细胞对软骨基质的局灶性溶解,曾被作为早期OA的一项特征(图4-9),但它更是RA的特征性表现。有人观察到,无论疾病的特异性如何,陷窝吸收均为一个重要的病理进程,支持它的证据体现在细胞因子特别是白介素-1(IL-1)能刺激软骨细胞释放破坏基质的蛋白酶。
图4-9A Weichselbaum陷窝吸收现象中局部区域内的透明软骨被纹理疏松的纤维组织所替代(40 ×)
图4-9B OA中软骨细胞周围基质被吸收,此现象可发生于软骨纤维化或修复区域的任何部位,从而为细胞因子激发降解酶的释放提供了证据(20 ×)
(三) 胶原纤维的变化
占AC胶原中90%~95%的Ⅱ型胶原使软骨具有张力特性,它控制具有固定电荷密度的蛋白多糖(主要是多聚蛋白聚糖)的膨胀和吸水特性。其质和量的改变是关节软骨丧失其正常生物力学特性的直接原因。Gobhard等证实,正常成人软骨细胞几乎没有合成各型胶原纤维的生物活性,而在OA的早期,AC细胞中上述生物活性显著增强,软骨的成分增加。近年来研究发现,基质金属蛋白酶(MMP)的升高、机械负荷传导紊乱、产生抗Ⅱ型胶原抗体的自身免疫反应、自由基、细胞因子(白细胞介素21、肿瘤坏死因子α等)以及家族性OA胶原基因突变都能导致胶原异常。随着OA病变的介入,先前提到的微小瘢痕数量增多。随着疾病的进展,胶原酶、溶酶体蛋白酶等的增加,导致胶原纤维网状结构破坏,胶原纤维溶解,断裂的纤维直径渐大,剩余纤维的数量日益减少。
(四) 钙化区的变化
在纤维化软骨的附近以及在距离更远的关节边缘,潮线的重建尤为显著。潮线呈亲苏木素性的波浪线,它构成了AC中钙化软骨区与深部放射区的分界线。发生OA时,此线发生扭曲并增粗,常伴有钙化软骨不规则的突入AC基部(图4-10)。软骨钙化区可于OA的早期发生不同的退变现象,表现为钙化范围增大并侵入非钙化区。通常这些改变在AC的深层表现明显,且伴有很少的纤维化。结果使人们开始推测,钙化区发生的改变对引发和促进OA病程所起的作用。显然钙化区的改变使含有血管的软骨下骨的骨化向AC钙化区推进,结果使AC的厚度变薄,引发了OA的病程。随着向重塑形的进展,含钙的结晶沉积于毗邻软骨细胞的基质中。电镜观察发现,在脱矿质切片中,位于基质囊泡内及其周围的结晶物质表现为嗜碱性颗粒。随着OA组织学特征的显现,基质囊泡的活性进行性增高。在某些时候,基质的生成耗损了软骨下结构中用于生成AC的成分。
图4-10 Bodian强蛋白银浸染所示的OA中钙化软骨与骨软骨结合部再塑形改变
潮线蜿蜒曲折,钙化的软骨向深部放射区扩展。钙化软骨中的软骨细胞呈透明状。下方骨质呈舌状伸入钙化软骨中(50 ×)