兔膝骨关节炎膝关节韧带生物力学改变及针刀松解法干预的研究

骨关节炎(Osteoarthritis, OA)是全球范围内极为常见的一种骨关节病,因具有较高的致残率,对患者生活、家庭及社会产生重要的影响而备受医疗机构的关注。2000年世界卫生组织(WHO)宣布2000-2010年为防治骨关节炎的十年,我国也于2002年由中华人民共和国卫生部、中华医学会共同宣布2002-2012年为“中国骨骼与关节健康十年”。膝关节是骨关节炎的好发部位,临床以膝关节疼痛、僵硬、活动受限为主要特征。 临床针刀医生应用《针刀医学》中关于膝骨关节炎(Knee Osteoarthritis,KOA)的力平衡机理治疗该病取得较好的疗效,也有研究者从经筋理论和力学平衡角度对针刀松解法进行了探讨和研究,但生物力学基础实验研究方面的进展甚微。本课题依托国家重点基础研究发展计划(973计划)《针刀松解法基础研究》和北京中医药大学在读研究生自主课题《兔膝骨性关节炎膝关节韧带的生物力学改变及针刀松解法干预的研究》,通过动物实验探讨针刀松解法治疗KOA的力学平衡机制,为验证针刀医学力平衡理论提供实验依据。 研究目的 本研究主要从中医经筋“束骨利关节”的理论角度出发,结合《针刀医学》对KOA的认识(力学平衡失调理论),研究内侧副韧带、外侧副韧带和髌韧带的力学变化在KOA发病机制中的作用；同时通过针刀松解法干预,研究其通过改变韧带力学而起到调整力学平衡的作用,并分析其治疗机理。 研究方法 将6月龄健康新西兰兔(雌雄各半)随机分为空白组、模型组和针刀松解组,应用左后肢伸直位固定制动法(Vidman法)制备KOA模型。针刀松解组于造模结束1周后开始进行治疗干预,每周干预1次,共干预三周。治疗前后分别观察兔膝关节的行为学指标；大体观察各组关节软骨和滑膜的病理表现；光镜和电镜观察各组兔软骨切片的病理表现；应用Bose Electro Force3300疲劳试验机收集内侧副韧带、外侧副韧带和髌韧带的拉伸、蠕变、应力松弛等的生物力学数据,最后分别对以上资料进行比较分析。 研究结果 1行为学改变：模型组和针刀松解组Lequesne MG评分分值治疗前统计无差别(p>0.05),治疗后和治疗前后计分差值有差异(p<0.05)。针刀松解法有效的改善了兔KOA关节疼痛、活动度、肿胀和步态。 2大体观察：空白组关节软骨透明,呈蓝白色,色泽明亮无裂纹及软骨缺损,关节液量较少,质地清澈透明,滑膜色泽淡红,无水肿充血表现。模型组关节软骨明显失去原有光泽,呈灰白色不透明,可见龟裂甚至缺损,关节边缘纤维性粘连,滑膜增生明显,关节液量明显增多,且呈泡沫状,浑浊,部分关节有骨赘形成。针刀松解组软骨颜色淡白,色泽较亮,有的可见龟裂,滑膜增生明显减轻,未见明显充血,关节液量较正常组稍多。根据彭太平法组织病理学分级进行评分,经统计分析,针刀松解组和模型组评分有显著差异(p<0.01)。针刀松解法对关节周围韧带、滑膜、关节囊、关节液的改善优于模型组。 3光境观察：空白组兔膝关节股骨软骨厚度正常,软骨表面光滑,细胞排列整齐,形态正常,基质无退变,潮线完整清晰,无血管翳生成。模型组软骨表面不光滑,表层软骨细胞稀少,细胞排列明显不规则,层次紊乱,有时可见剥脱缺损深达潮线,软骨细胞巢居,潮线模糊或见双重潮线,部分软骨有血管通过和血管翳生成。针刀松解组软骨细胞排列整齐,潮线清晰,软骨表层比较光滑,未见血管翳形成。对切片按照Mankin去进行评分,三组评分总体差别有显著差异(P<0.01)。两两比较针刀松解组的软骨损伤程度优于模型组(P<0.01),与空白组比较有差异(P<0.05)。针刀松解法对软骨起到一定的保护作用,但未达到正常水平。 4电镜观察：空白组软骨细胞呈卵圆形,细胞表面有细长突起,胞体及胞膜完整,胞质内可见丰富的细胞器,核内染色质分布均匀,胞内有大量粗面内质网,基质中胶原纤维排列整齐；模型组软骨细胞明显固缩、部分溶解坏死,外形不规则,细胞周晕消失,核膜不明显,表面微绒毛突起减少,胞质内细胞器凝成高电子密度的片状物不易分辨,可见数个脂滴存在；针刀松解组软骨细胞的各种细胞器丰富,细胞核形态正常,胞质丰富,染色质较均匀,细胞表面突起基本消失,胞内有大量粗面内质网,胞质中有空泡出现,细胞周围胶原纤维部分断裂。从软骨细胞微观形态方面,针刀松解组也起到了一定的调节作用。 5内侧副韧带的力学实验结果：从拉伸力学测试中可以看出,三组最大应力、最大应变、最大位移和弹性模量都有统计学意义(P<0.05P<0.01)。两两比较,针刀松解组最大应力和模型组之间有显著差异(P<0.01),与空白组之间有差异(P<0.05),模型组和空白组之间差异显著(P<0.01)；针刀松解组最大应变与模型组和空白组比较都有差异(P<0.05),模型组和空白组之间有差异(P<0.05)；针刀松解组最大位移优于模型组(P<0.05),与空白组之间无差异(P>0.05),模型组和空白组之间有差异(P<0.05)；针刀松解组弹性模量与模型组和空白组比较都无差异(P=0.053),模型组和空白组之间有差异(P<0.05)。从结果可以看出KOA模型组MCL拉伸力学特性有很大的改变,而针刀松解法可以有效改善这种拉伸力学特性。在蠕变和应力松弛测试中,分别绘制MCL的20分钟蠕变和应力松弛曲线,并对实验数据进行拟合,得出拟合曲线,从曲线的趋势可以看出,模型组的蠕变和应力松弛曲线与空白组比较有很大差异,而针刀松解组的应力松弛和蠕变曲线与空白组几乎重合；三组比较应力松弛率差异显著(P<0.01),蠕变率无差异(P>0.05)。两两比较针刀松解组应力松弛率和模型组之间差异显著(P<0.01),与空白组之间无差异(P>0.05),模型组和空白组之间差异显著(P<0.01)。从结果可以看出KOA模型应力松弛发生了变化,而针刀松解法可以有效恢复应力松弛特性。从应力松弛和蠕变曲线上也可以看出对韧带的粘弹性特性有比较好的调整。 6外侧副韧带的力学实验结果：在拉伸力学测试中,三组最大应力、最大应变和弹性模量都有统计学意义(P<0.05P<0.01),三组最大位移差异不显著(P=0.198)。两两比较,针刀松解组最大应力和模型组之间有差异(P<0.05)与空白组之间无差异(P<0.05),模型组和空白组之间有差异(P<0.05)；针刀松解组最大应变与模型组之间有差异(P<0.05),与空白组之间无差异(P>0.05),模型组和空白组之间有差异(P<0.05)；针刀松解组弹性模量与模型组之间有差异(P<0.05),与空白组之间无差异(P>0.05),模型组和空白组之间差异显著(P<0.01)。从结果可以看出模型组LCL拉伸力学特性有一定的改变,而针刀松解法可以有效改善这种拉伸力学特性。在LCL的20分钟蠕变和应力松弛测试中,针刀松解组和空白组的曲线比较接近,而和模型组的曲线差异很大；三组之间应力松弛率和蠕变率有显著差异(P<0.01),两两比较针刀松解组应力松弛率与模型组和空白组比较都有显著差异(P<0.01),模型组和空白组之间差异显著(P<0.01)；针刀松解组蠕变率和模型组之间有差异(P<0.05),和空白组之间无差异(P>0.05),模型组和空白组之间差异显著(P<0.01)。从结果可以看出KOA模型应力松弛和蠕变都有所变化,而针刀松解法可以有效恢复LCL的粘弹性特性。 7髌韧带的力学实验结果：在拉伸力学测试中,三组最大应力、最大位移和弹性模量都有统计学意义(P<0.05P<0.01),而最大应变无差异(P>0.05)两两比较,针刀松解组最大应力和模型组之间有差异(P<0.05),与空白组之间有显著差异(P<0.01),模型组和空白组之间差异显著(P<0.01)；针刀松解组最大位移与模型组之间无差异(P>0.05),与空白组之间有显著差异(P<0.01),模型组和空白组之间有差异(P<0.05)；针刀松解组弹性模量与模型组和空白组比较都有显著差异(P<0.01),模型组和空白组之间差异显著(P<0.01)。从结果可以看出模型组髌韧带拉伸力学特性有一定的改变,而针刀松解法可以有效改善这种拉伸力学特性。通过髌韧带20分钟的蠕变和应力松弛的测试也可以看出,针刀松解组应力松弛和蠕变曲线处于空白组和模型组之间,但更接近于正常组的曲线。从应力松弛率和蠕变率的分析看,三组之间应力松弛率和蠕变率有差异,针刀松解组应力松弛率和模型组之间有差异(P<0.05),与空白组之间无差异(P>0.05),模型组和空白组之间差异显著(P<0.01)。针刀松解组蠕变率和模型组之间有差异(P<0.05),与空白组之间无差异(P>0.05),模型组和空白组之间差异极显著(P<0.01)。从结果可以看出KOA模型髌韧带应力松弛和蠕变都有所变化,而针刀松解法可以有效恢复其应力松弛和蠕变的粘弹性特性。 研究结论 我们认为关节力学平衡失调是KOA发病机制中的重要环节,而韧带力学的异常改变有可能是关节力学平衡失调的原因或结果之一,因此对韧带力学进行调节以改变关节力学平衡失调可能是干预KOA的有效途径。针刀治疗KOA恰恰在于对膝关节韧带的松解。韧带一旦得到松解,骨关节炎发病机制的恶性循环就可以打破。同时,关节力学平衡的改善,通过软骨细胞的力学信号的转导,调节细胞内基因表达,最终导致关节软骨自身的修复。