后交叉韧带断裂对股骨外髁影响的生物力学和组织学研究

摘要

后交叉韧带(Posterior cruciate ligament，PCL)是膝关节内重要的稳定结构，其主要功能是控制胫骨后移和旋转。后交叉韧带损伤是关节外科较常见的疾病，常为较大暴力作用的结果。目前后交叉韧带损伤后膝关节不稳，继发骨性关节炎已有报道，但后交叉韧带损伤后是否影响股骨外髁，研究甚少。本研究第一章采用生物力学的方法测试人体膝关节标本在PCL部分断裂和完全断裂时股骨外髁前部、中部及后部的应变，研究PCL完全断裂和部分断裂对股骨外髁各部位生物力学特性的影响。第二章通过检测兔膝PCL断裂后股骨外髁软骨下骨的骨密度，观察股骨外髁软骨细胞与细胞外基质的组织学变化，探讨PCL断裂后股骨外髁的继发性损伤。第三章通过观察兔膝关节PCL断裂后股骨外髁软骨内MMP-7及Ⅱ型胶原表达的变化，探讨其在股骨外髁继发性损伤中的作用。该研究为PCL损伤是否对股骨外髁产生影响提供理论依据。
　　 第一章后交叉韧带断裂对股骨外髁生物力学特性的影响。
　　 目的：探讨后交叉韧带损伤后对股骨外髁各部位生物力学特性的影响。
　　 方法：新鲜成人正常膝关节标本12具作为PCL完整组，在200N、400N、600N、800N载荷下，测试膝关节0°、30°、60°、90°位股骨外髁前部、中部和后部的应变，测试完毕后将标本随机分为前外侧束(ALB)断裂组和后内侧束(PMB)断裂组，各6具，造模后同法测试，最后再将12具标本的PCL完全切断进行测试。
　　 结果：1.①膝关节0°位，股骨外髁中部的应变为压应变。前部、后部的应变均为拉应变。②膝0°位，在200N载荷下，股骨外髁前部、中部、后部的应变在PCL完整组、ALB切断组、PMB切断组、PCL全断组各组之间均无显著性差异，均P>0.05。③膝0°位，在400N、600N载荷下股骨外髁前部、中部、后部的应变在PCL完整组和ALB切断组之间无显著性差异，P>0.05，在PMB切断组和PCL全断组之间无显著性差异，P>0.05；前部、中部和后部在PCL完整组和ALB切断组的应变绝对值均小于PMB切断组和PCL全断组的应变绝对值，均P<0.05。④膝0°位，在800N载荷下，股骨外髁前部、中部、后部的应变在各实验组之间均有显著性差异，均P<0.05；前部、中部和后部的应变绝对值表现为PCL完整组　　 2.①膝关节30°位，在200N、400N、600N载荷下，股骨外髁前部、后部的应变均为压应变，PCL完整组和PMB切断组之间无显著性差异，P>0.05；ALB切断组和PCL全断组之间无显著性差异，P>0.05。PCL完整组和PMB切断组的应变绝对值均小于ALB切断组和PCL全断组的应变绝对值，均P<0.05。股骨外髁中部的应变在PCL完整组和PMB切断组为拉应变，两组之间无显著性差异，P>0.05；在ALB切断组和PCL全断组为压应变，两组之间无显著性差异，P>0.05。②膝关节30°位，在800N载荷下，股骨外髁前部的应变为压应变，应变在各实验组之间均有显著性差异，P<0.05，应变绝对值呈现PMB切断组　　 3.①膝关节60°位，在200N、400N、600N载荷下，股骨外髁前部、中部和后部的应变均为压应变，在PCL完整组和PMB切断组之间无显著性差异，P>0.05；应变在ALB切断组和PCL全断组之间无显著性差异，P>0.05，PCL完整组和PMB切断组的应变绝对值均小于ALB切断组和PCL全断组的应变绝对值，均P<0.05。②膝关节60°位，在800N载荷下，股骨外髁前部、中部和后部的应变均为压应变，在各实验组之间均有显著性差异，均P<0.05，股骨外髁前部的应变绝对值表现为ALB切断组　　 4.膝关节90°位，在各实验载荷下，股骨外髁前部、中部和后部的应变均为压应变。股骨外髁前部应变在各实验组之间均有显著性差异，均P<0.05，应变绝对值呈现ALB切断组　　 结论：
　　 (1)PMB主要在膝关节伸直位，ALB主要在膝关节屈曲位发挥稳定膝关节的功能，PMB和ALB在膝关节90°位协同维持膝关节稳定。
　　 (2)PMB断裂在膝关节0°位对股骨外髁的应变有影响。
　　 (3)ALB断裂在膝关节屈曲30°、60°、90°位对股骨外髁的应变有影响。
　　 (4)PCL完全断裂对股骨外髁的应变均有影响。
　　 第二章 PCL断裂后股骨外髁骨密度、组织学观察。
　　 目的：探讨后交叉韧带断裂对股骨外髁骨密度、组织学的影响。
　　 方法：48只兔双侧膝关节配对为实验侧和对照侧，实验侧行PCL，完全切断造模，造模后第4、8、16、24周各随机处死12只，行股骨外髁大体观察，HE染色观察，并行骨密度检测。
　　 结果：1.形态学观察，随时间延长，对照组股骨外髁软骨无明显变化，实验组股骨外髁出现色泽改变呈灰黄色，软骨表面不平整，有磨损甚至溃疡。
　　 2.组织学观察，随时间延长，股骨外髁软骨纤维化，细胞排列紊乱，簇聚细胞出现频率增加。各时间点实验组和对照组组织学退变评分实验组均高于对照组，均有显著性差异，均P<0.05。不同时间点实验组间组织学退变评分均有显著性差异，均P<0.05，评分第24周>第16周>第8周>第4周。
　　 3.股骨外髁软骨下骨骨密度检测，各时间点实验组和对照组骨密度值比较均无显著性差异，均P>0.05；不同时间点实验组间骨密度值比较均无显著性差异，均P>0.05。
　　 结论：1.PCL断裂可引起股骨外髁软骨退变，随时间延长而加重。
　　 2.PCL断裂后股骨外髁骨密度无明显变化。
　　 第三章Ⅱ型胶原、基质金属蛋白酶7(MMP7)在股骨外髁软骨中的表达。
　　 目的：探讨PCL断裂对股骨外髁软骨中Ⅱ型胶原、基质金属蛋白酶7(MMP7)表达的影响。
　　 方法：48只兔双侧膝关节配对为实验侧和对照侧，实验侧行PCL完全切断造模，造模后第4、8、16、24周各随机处死12只，行免疫组化检测Ⅱ型胶原、MMP7的表达。
　　 结果：1.各时间点实验组MMP7阳性表达率均高于对照组，均有显著性差异，P<0.05。
　　 2.实验组MMP7阳性表达率第8周高于第4周，有显著性差异，P<0.05；第16周、第24周均高于第4周和第8周，均有显著性差异，均P<0.05；第16周和第24周无显著性差异，P>0.05。
　　 3.实验组Ⅱ型胶原阳性表达率第4周和第8周均高于对照组，均有显著性差异，均P<0.05；第24周低于对照组，有显著性差异，P<0.05；第16周实验组与对照组无显著性差异，P>0.05；
　　 4.实验组Ⅱ型胶原表达阳性率第8周高于第4周、第16周和第24周，均有显著性差异，均P<0.05；第4周高于第16周和第24周，均有显著性差异，均P<0.05；第16周高于第24周，有显著性差异，P<0.05。
　　 结论：1.PCL断裂可引起股骨外髁软骨退变，随时间延长而加重。
　　 2.PCL断裂后股骨外髁软骨中MMP7表达呈先增高后维持的变化规律。
　　 3.PCL断裂后股骨外髁软骨中Ⅱ型胶原表达呈先增高后降低的变化规律。
　　 4.PCL断裂后股骨外髁软骨中MMP7、Ⅱ型胶原的异常表达提示MMP7、Ⅱ型胶原介导的病理生理机制可能是PCL断裂后股骨外髁软骨退变的原因之一。