旋转恒定磁场治疗激素性股骨头坏死的效果与病理机制

作者:潘晓华[1] 
单位:暨南大学第二临床医学院深圳巿人民医院骨科[1]
   【摘要】 【目的】 探讨旋转恒定磁场(RPMF)治疗激素性股骨头坏死的疗效和病理机理。【方法】 制备新西兰兔股骨头坏死动物模型,予旋转恒定磁场(铋铁硼永磁体以8Hz频率旋转、形成其上方20 cm直径60 cm的半球形磁场、表面强度在0.32~0.60 T之间)处理4周和8周(A1、A2组),使用组织切片和X线片以及显微CT观察股骨头内部结构变化,同时监测其血液黏稠度、胆固醇、甘油三酯以及髋关节腔压力等的变化,和相应阳性假处理4周、8周组(B1组\B2组)、空白对照(C组)进行统计学分析和比较。【结果】 经旋转恒定磁场(RPMF)处理后,动物模型的股骨头骨小梁形态结构显著改善,尤以显微CT表现明显,髋关节腔压力、血液流变学及血脂检测值改善具有显著统计学意义(P< 0.05),与时间因素的交互作用疗效次之(Eta2A >Eta2A*B >Eta2B)。【结论】 磁场可以针对股骨头坏死主要环节高脂血症、血液黏稠度增加、关节腔压力增高等发挥调节作用,有效治疗激素性股骨头坏死,尤其是早期病变;显微CT在诊断激素性股骨头坏死方面具有灵敏性和直观的优越性。 
   激素性股骨头坏死是一种严重的医源性致残性疾病,早期诊断及治疗困难,激素应用引起血液黏稠度增加、骨髓细胞脂肪化、关节腔压力增高造成股骨头微循环障碍、营养供应中断为其主要致病机理 [ 1-3 ],目前国内外均缺乏有效疗法。磁疗具有一定的镇静安神、消炎止痛、活血化瘀、强筋补骨的作用,较广泛运用于临床。鉴于最近国内有医院采用本课题组提供的旋转恒定磁场(RPMF)试验性治疗激素性股骨头坏死患者所取得的满意疗效[4],我们尝试解释这种治疗的机制,为开辟股骨头坏死治疗的新途径提供参考。
1  材料和方法
1.1  动物模型与分组 
   取健康成年24周龄以上的纯种新西兰大白兔60只,雌雄不限,体质量(2.5±0.2) kg,南方大学实验动物中心提供,许可证号:2003A058,饲养于深圳市人民医院SPF级动物中心。用随机表将实验动物随机分为2组:空白对照组8只,不予任何处理,设为C组;其余全部进行臀部肌肉注射醋酸泼尼松龙注射液,给药量12.25 mg/kg,每周2次、共8周[5],每周肌肉注射青霉素4万u/kg 1次以预防感染;至第9周死亡9只,合并皮肤感染4只,所余者中有34只经X线片显示骨小梁变细、数量减少、变稀疏,散在断裂形成低密度区,和魏青等[6]的实验相近,确定双侧股骨头缺血性坏死模型成功后,按磁场应用与否及时间长短选取其中32只随机分为4组、每组8只:A1组(磁场处理1个月,2 h/d)和A2组(磁场处理2个月,2 h/d)、B1组(阳性者于磁场未处理1个月)和B2组(阳性者于磁场未处理2个月;)。
1.2  X线片 
   观察股骨头内部的密度及骨小梁改变。
1.3 显微计算机X线断层照相术(micro-CT) 
   显微CT(vivaCT 40 scanner , Scanco Medical,Swizerland, 50~70 kV/8 W),由香港中文大学威尔士亲王医院矫形外科学系提供。检测离体股骨头标本的骨小梁结构改变。
1.4 血液流变学和血脂测定 
   经兔耳缘静脉取血,采用北京世帝R80-A血液流变分析仪和迅达XD-811半自动多功能生化分析仪测定血浆黏度、甘油三酯、总胆固醇。
1.5  关节腔压力测定 
   用7号针头穿入关节腔后,直接与脑压计(HaKo MV20B)连接,测得两侧关节腔内压力,取其均值。
1.6  组织学观察 
   采用髋关节前外侧切口,取股骨头观察其外形、软骨有无塌陷,其后将股骨头沿冠状面剖开, 以体积分数10%甲酸脱钙液(内含甲酸10 mL、硝酸3 mL、盐酸5 mL、冰醋酸2 mL、甲醛10 mL、蒸馏水70 mL)处理3 d后,流水冲洗、常规石蜡包埋切片后HE染色,在光镜下观察(×40)。
1.7 仪 器 
   低频旋转恒定磁场治疗装置HMF-6000型(深圳大学生命科学学院研制、中国专利号2L93118017.1、美国发明号5.667.469)。所用磁场的磁源恒定且≥4 T,旋转恒定频率8 Hz,旋转恒定时在磁体上方20 cm2内形成一个半球形旋转恒定磁场,直径60 cm、磁场表面不同位置强度在0.32~0.60 T之间(用CT3型高斯计测定),无电离辐射,安全性达标。
1.8 统计学处理 
   数据以 (x±s)表示,采用SPSSl1.5软件,髋关节腔压力、总胆固醇、血浆黏稠度结果进行广义线性模型单变量(GLM-UNIVARIATE)析因设计双因素方差分析,检验水准α=0.05。
2  结  果
2.1  X线片显示 
   空白对照C1组/ C2组骨小梁完整、密度均匀,阳性对照B组股骨头内骨小梁变细、数量减少、变稀疏,散在断裂形成低密度区,B2组较B1组明显,显示病情在发展。磁场处理A1组骨小梁数量较B1组增加,密度略高,低密度区减少;A2组好转更加明显,其骨小梁数量和密度显著优于B2组、也较B1组为佳,低密度区消失,但比较空白对照C2组其骨小梁数量略少、结构较稀疏。
2.2  显微CT显示 
   空白对照C组软骨下骨以远骨小梁连贯致密、均匀,阳性对照B组股骨头内骨小梁破坏吸收、数量减少、断裂稀疏,形成高密度硬化区和空隙状低密度区。处理A1组骨小梁数量较B1组增加,密度略高,空隙状低密度区略少;A2组好转更加明显,其骨小梁数量和致密性显著优于B2组、也较B1组为佳,高密度硬化区和空隙状低密度区混杂现象改善明显,但比较C组其骨小梁数量和结构仍欠缺。
2.3  组织学观察 
   空白对照C组股骨头软骨下骨小梁结构正常,脂肪细胞与造血细胞比例正常,空骨陷窝率低;处理A组及对照B组股骨头、颈间的松质骨区域均出现典型骨坏死灶,骨陷窝空虚或骨细胞核固缩,骨小梁松散,骨髓基质溶解、脂肪细胞直径增大,软骨下小血管部分内皮细胞变性并存在脂栓和纤维蛋白血栓, B2组小血管腔中发现脂肪包绕较小的纤维蛋白栓子形成较大混合性栓子,其骨小梁稀疏、断裂明显,脂肪细胞数量增多、直径增大;处理A2组骨小梁结构趋于正常,骨小梁变粗、数量增加,骨陷窝空虚灶减少,脂肪细胞直径减小,和A1组比较点状新生毛细血管及髓内小血管再生明显 。
2.4  髋关节腔压力测定 
   经磁场处理的压力下降具有显著统计学意义(FA=39.034,P=0.00< 0.05),处理时间长者效果也具统计学意义(FA*B=6.123,P=0.00< 0.05),依靠自身修复机制经过一定时间后髋关节压力能够下降(FB=6.899,P=0.013< 0.05),各因素对压力下降的贡献是Eta2A >Eta2A*B >Eta2B,显然磁场处理是最主要作用者。
2.5 血液流变学及血脂检测 
   股骨头坏死后依靠自身修复清理机制能够逐渐使血浆黏稠度下降(FB=14.917,P=0.00< 0.05),磁场处理后能够使血浆黏稠度下降具有更显著统计学意义(FA=26.013,P=0.00< 0.05),磁场处理和时间存在交互作用(FA*B=14.23,P=0.00< 0.05),但各因素的影响强度是Eta2A >Eta2A*B >Eta2B,显然磁场处理因素最重要,和时间交互作用次之。 
   经磁场处理者总胆固醇和甘油三酯值改善具有显著统计学意义(FA=60.44,P=0.00< 0.05;FA=26.498,P=0.00< 0.05),和时间因素存在的交互作用差异也具有统计学意义(FA*B=12.64,P=0.00< 0.05;FA*B=3.446,P=0.04< 0.05),依赖于自身修复的时间因素作用不显著(FB=2.73,P=0.107 >0.05;FB=1.149,P=0.29 >0.05),三者的影响强度是Eta2A >Eta2A*B >Eta2B,提示磁场处理因素最有效,和时间交互作用次之,而自身修复逆转高脂血症较困难。
3  讨  论
3.1  激素性股骨头坏死模型制作的可靠性 
   有作者报道给家兔注射激素7.5 mg/kg,每周2次,在实验组第4周发现股骨头软骨下区骨小梁内部分骨细胞核固缩,胞核较小,染色深,空缺的骨陷窝数增多[7]。为了确保动物造模成功,我们采用较大剂量的泼尼松龙,以致实验第9周动物死亡率和并发症发生率高至20%,此时X线片以及组织学切片出现较典型股骨头骨坏死,主要表现位于股骨头软骨下至股骨颈之间松质骨组织的小血管内存有明显脂栓和纤维蛋白血栓,部分管腔内脂肪包绕较小的纤维蛋白栓子形成了混合栓子进而造成阻塞现象,X线片表现软骨下区骨小梁稀疏, B2组比B1组骨小梁断裂现象更显著,形成低密度区,和魏青的实验结果相近[6],说明激素所致的股骨头坏死呈进行性发展,自身修复困难,与临床上Ficat期、期病变相似[7]。由于人类股骨头承负全部体重特点、故在中期X线片上即会出现塌陷,而四肢着地的动物模型则以股骨头骨质疏松表现为主。有研究证实激素使用时间延长至10周后,动物模型晚期也可能发生股骨头塌陷[8],本组动物模型未发现股骨头塌陷,缘于实验控制了激素使用时间,以避免动物死亡率增高对后续分组和观察的影响,这也是本实验仅应用于动物股骨头缺血性坏死早期病变的局限性。
3.2  股骨头坏死与高脂血症、血液流变学改变及关节囊内压增高关联性 
   本试验中阳性对照B1、B2组各指标均显著高于空白对照C组(P< 0.01)、B2组略改善,说明激素造成蛋白质及粘多糖的合成减少、骨基质形成障碍,引起血液流变特性恶化及高脂血症[9],脂肪在髓内血管腔内淤积、形成脂肪栓子甚至混合栓子附在终末血管壁上, 导致血管闭塞、酸性代谢物质积聚、血管通透性增加、血浆外渗, 引起关节囊内压、骨内压升高及骨内间室综合征,促使骨髓细胞脂肪化、成骨活力下降,骨内或滑膜缺血等系列循环性病理过程最终导致股骨头缺血性坏死[10]。B2组较B1组呈进行性发展,显示自身修复该病变很困难。
3.3  磁场处理效果 
   磁场不仅能够有效改善血液黏稠度以及高脂血症、防止血栓和脂肪栓的形成,点状新生毛细血管的出现表明磁场还能够刺激血管内皮的增殖、分化,促进血管的生长和修复,坏死部位的再血管化有利代谢产物排除、降低骨内压及关节内压进而激活局部成骨、破骨细胞及成骨生长因子的活性,促进骨祖细胞向成骨细胞、软骨细胞分化及股骨头的再骨化,所以本实验中磁场处理后其组织学以及骨小梁表现好转明显,髋关节腔压力、血液流变学及血脂检测值改善具有显著统计学意义(P< 0.05),与时间因素的交互作用疗效次之(Eta2A >Eta2A*B >Eta2B),证实旋转恒定磁场(RPMF) 应用于动物股骨头缺血性坏死早期、相当于临床Ficat、期是有效的,先期试验性治疗北京非典型肺炎患者合并股骨头坏死后所发现病变周围软组织水肿最先缓解、进而疼痛感减退、骨密度改善的结果也肯定了这一疗效。
3.4  本研究独特性 
   恒定磁场凭其独特的能量传导方式和无创性对人体骨组织产生特殊生物效应,其中旋转恒定磁场治疗骨折、椎体融合、骨缺损以及骨质疏松等效果较好[11,12],这是采用旋转恒定磁场治疗激素性股骨头坏死患者的依据;在实验中我们设计恒定磁场低频旋转(频率为8 Hz)、并控制磁场强度和处理时间,取得了临床试验性治疗和动物实验中令人鼓舞的结果。本试验采用显微CT以5 ?滋m光点直径的微聚焦X线源检测股骨头标本,分辨率达6 ?滋m,数分钟内即可完成近百张图像扫描和重建、得到清晰的股骨头微观三维结构图,以及高精度数据采集、量化分析和生物力学测评,我们体会显微CT在诊断激素性股骨头坏死的发展和治疗转归方面所具灵敏性、精度、全面性远较常规X线检查优越,作为一项崭新的技术手段相较评估股骨头血流量的“氢廓清技术”[13] 似更加安全和快捷,有望在后续研究中建立显微CT计量学和骨组织形态计量学[4]、髋关节腔压力、血液流变学及血脂检测的量值相关性。   
   总之,旋转恒定磁场(RPMF)能够降低血液黏稠度、改善高脂血症和关节囊内压,促进早期骨坏死修复和新骨再生,有望成为激素性股骨头坏死的治疗新途径,值得进一步探索和研究。
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