退变性关节病的病理改变

    （一）光镜下的改变 正常关节软骨光滑、湿润、蓝白色。滑膜光滑发白，与关节软骨的边缘相连。生理性的正常老化过程开始于20岁以后，随年龄而发展。化学成分改变、组织学表现、合成和退变活动，以及病理学特点已于上节介绍，应与骨性关节炎或骨性关节病的改变鉴别。

    单关节关节面透明软骨的早期退行性改变是局灶性改变。肉眼所见，表现干燥、发暗、淡黄色、无光泽，纤维面有柔软的天鹅绒感（Velvety feel）。镜下，一个个大的陷窝充填着20个左右软骨细胞（Weichselbaum s陷窝）。这种多细胞聚集称“Chodron”或“Colne”。其后，软骨细胞退变，呈现星状或无形表现。随关节运动，压力作用和摩擦力冲涮，退变外露的关节面软骨被碎裂变成粗糙和斑剥。

    正常软骨基质聚集紧密的表层胶原纤维束、深层的随意走行的纤维网和最底层的垂直排列的纤维构成。在胶原纤维间是糖蛋白（PG）、吸水性很强的蛋白分解产物（PPS）等。胶原纤维和糖蛋白光折射系数相同，故胶原纤维看不见。当退变过程不断进行时，糖蛋白（PG）被降解和清除，胶原纤维则能看到。软骨被裂成许多裂缝。胶原纤维在深裂缝之间显示垂直走行为骨关节软骨纤维产生碎裂的最大特点。当软骨浸于水中时可看到表浅的胶原纤维丛像纤细的毛发起伏的凸起产生一种表面的天鹅绒感。

    关节软骨的某些区域，出现再生和软骨表面的剥脱区。这提示其后的结果：关节软骨完全消失，软骨下骨外露，遭受非生理性的外力，发生纤维性折裂。血管细胞组织充满裂伤处，形成纤维软骨性组织。其过程与关节软骨由创伤或手术引起的完全性缺损反复反应相类似。

    退变性关节软骨（特别是已为进行性退变性关节软骨病时），往往脱落（Sheared off），进入关节腔内成为“关节鼠”（jojnt mouse）。

    于关节软骨深层，软骨细胞出现柱状排列，由软骨下骨和骨髓来的血管小支可成为它们伸入钙化带的通道，软骨下骨皮质的新骨板增厚。软骨下骨皮质新板层骨肥厚为骨表面关节软骨的消失，垂直负荷增加的反应。

    在间歇期（病情进展放慢），软的退变性软骨磨损，减少，完全吸收（由溶酶体酶），或排进关节。外露的软骨下骨于是受到巨大的应力作用，随着血管分布的增多和丰富发生很强的成骨反应。这种改变由于压力作用不断进行，也由于牵引关节囊而加剧，向关节边缘延伸，常产生骨赘伸进关节囊。

    滑膜增生，绒毛形成，显示单核细胞充血和浸润。滑膜的反应性炎性改变，在非活动或非持重关节并不强烈。滑膜可由于组织化生或由关节腔吞噬了软骨碎片而含有软骨细胞巢（nest）。软骨细胞巢可发生钙化，继之骨化，或完全吸收，或软骨性的骨软骨体伸进关节。

    在进行期，关节软骨已经完全磨损，软骨下骨皮质变成肥厚光滑，由于连续不断的剪力作用而被磨光。正如前面所说的，发生软骨下骨折，软骨下骨不能承受垂直负荷。于最大的受力部位可发生软骨下骨囊肿。于滑膜内不断形成软骨瘤和骨软骨瘤，或者仍有蒂相连或游离于关节内。“关节鼠”与关节附着组织中断后血供也失去，中心部骨核坏死，这时表面的软骨由滑液获得营养，软骨又生长一层仍然存活的附加层。软骨的表层可随时钙化，然后，其上又覆盖新的软骨附加层，这一过程反复进行。因此这样形成的“关节鼠”切面，显示钙化层、非钙化层和中央骨坏死核的多层次交替出现。

    1.血管改变 于软骨下区存在血管扩张和增多的情况。骨性关节炎一开始，最早在关节软骨表层改变，显示血管由软骨下骨髓穿过钙化软骨区基底。软骨下骨小梁的结构由于充血而变得稀疏和薄弱。又由于关节软骨的弹性丧失，甚至不能逸散作用力，使关节软骨下骨受力加大，发生骨小梁骨折。由于骨小梁塌陷，发生压缩，新骨形成、骨折部位密集。部分骨组织坏死，则使压缩骨组织随新骨出现形成一个致密骨段。

    血管增加表明为新骨形成的反应，于非持重区导致骨赘形成，于持重区产生致密新骨。

    2.囊肿 骨囊肿是一骨质透亮区，限于持重骨段的上部，通常位于密质骨之内深达致密的关节面。囊肿可含有疏松的、粘液样的、致密的、或纤维软骨性的纤维组织。大量的薄壁静脉吻合小静脉占据着囊肿骨结构，并与细长的小动脉相连。于囊肿看不到血管。

    囊肿的骨壁由粗的骨小梁形成。当压力去除后（如通过手术），囊肿发生血管再生和成骨而消失。

    3.骨性关节炎各阶段的镜下所见 有三个阶段：

    ⑴早期     关节面的不平整和纤维组织形成，有小裂缝但不超过浅表层；软骨细胞轻度增多（bypercellularity）；粘多糖（mucopolysaccharides ）的微小减少不延至移行带或中层以上。

    ⑵轻度进展期 关节面的损害加重，小裂缝延伸到整个关节软骨中层，偶有累及钙化层；中层已有粘多糖减少；软骨细胞群或细胞分裂数增多。

    ⑶进行期 软骨厚度减少；小裂缝延伸至软骨下骨，关节软骨全层的粘多糖明显减少，关节面的有些区域关节软骨完全丢失，露出致密的软骨下密质骨。

    4.组织学的进行性改变 骨性关节炎是一种局灶性疾病，在同一关节软骨的不同区域组织学、组织化学、生物化学和代谢改变都显示很大的不同。因此，下面所介绍的骨性关节炎这些方面的有关特性反映出骨性关节炎进行发展的发生过程。

    骨性关节炎最早的组织学改变是关节软骨表层的消失，软骨细胞数的弥漫性增多，异染性染色轻度减少，说明蛋白多糖（PG）的消耗。骨表面血管向软骨内生长并贯穿全层。血管贯穿全层是骨性关节炎的一大特点，可能有助于骨赘形成。

    骨性关节炎进行性发展，软骨表面开始出现垂直劈裂，起初劈裂通过移行层，接近排列切线方向的致密纤维束，于纤维束层纤维束变形。病程进一步加重，裂缝不断加深，延伸至钙化带，产生纤维形成和软骨软化的表现形式。用异染染料染色，例如阿辛兰（alcian blue），或正染色（orthochromatic）染料如碱性藏红（safranine）-O染色，显基质的颜色强度进行性减低，这就表明糖蛋白（PG）进一步消失。骨性关节炎的这个阶段，软骨细胞最突出的表现是当时的代谢活动亢进。软骨细胞数增加，聚集成群或簇系（clumps or clones），为骨性关节病异常的最大特点。

    在骨性关节炎的进展期，软骨细胞出现侵蚀，最后由表面的局灶病变区完全消失，软骨剥脱露出硬化和致密的骨质。软骨下骨囊肿形成，骨表面可覆盖有部分新软骨修补区，并伸延至边缘骨赘。

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    （二）超微结构的特点 下面介绍电子显微镜的研究，将把各带的骨性关节炎疾病改变分为早、中和进行三期叙述。

    1.浅表带

    ⑴基质

    ①早期 骨性关节炎在关节面的某些区域仍有无细胞的薄层丝性基质覆盖，覆盖层发亮，可能表明吸附有大分子的透明质酸（hyaluronic acid）或糖蛋白（PG）。浅表的胶原纤维有特殊的分布走行方式：胶原纤维束成为小纤维束，有间隙相隔排列。在正常关节软骨的胶原纤维束则是相互接近并成直角，间隙不大，方向与关节面平行。

    ②中期 关节面失去精细的线状覆盖，发生许多皱折（infoldings）。成熟的胶原纤维束的排列与这些皱折表面平行。于是个别的胶原纤维和纤维束分离，表现大的低电子密度区，反映出可能是蛋白多糖（PG）的减少。

    ③进行期 关节软骨表层由无一定形态的物质覆盖，被向深部延伸的裂缝所断裂。成熟的胶原纤维平行于那些垂直走行的直径不大的丝状关节面排列。纤维间距加大，纤维间基质的电子密度减低。

    ⑵细胞

    ①早期 关节软骨浅表细胞有些尚存活，而有些表现退行性改变。存活的细胞增大变长，其长轴与关节面平行。细胞有丰富的细胞内细胞器，细胞内质含很多的粗大的网状结构，非常清楚的高尔基（Golgi）小体、空泡（Vacuoles）和少数线粒体（mitochndria）。细胞核不规则，往往呈双叶状。胞浆呈现许多分支突起。发现成熟的胶原纤维与细胞膜相邻近。细胞为成纤维细胞表现，代谢活动活跃表明胶原纤维的合成 。

    ②中度进行期 常看到软骨细胞团接近软骨裂缝。这些细胞群像较深的软骨细胞群外围所看到的那样没有均匀一致的丝状的粘多糖包绕，而是围绕着很细的胶原纤维。细胞核和细胞浆内的细胞器看不到退变性改变，细胞核和细胞膜完整，胞质网状结构粗大，高尔基小体和线粒体等。细胞器发育良好。

    ③进行期 一般于关节软骨的浅表层和深层看到退行性改变的细胞。突出的特点为胞浆内核周排列有大量的丝状物、溶酶体（lyssomes）、粗大的网状结构和高尔基小体不多。退变细胞围绕着大量球形纤维（核距12nm）（直径120Å），成熟的胶原纤维位于细胞膜附近，这种细胞数骨性关节炎病变加重和个体的老化而增多。

    2.中层

    ⑴基质

    ①早期 胶原纤维直径20～160nm（200～1600Å），排列无一定形式，纤维间距大，纤维间的间隙电子密度降低。

    ②中度进行期 胶原纤维排列与关节面更加垂直，与正常的随意排列不同。

    ③进行期 垂直于关节面的胶原纤维更加明显。

    ⑵细胞

    ①早期 软骨细胞被变细的丝状原纤维轮环绕。细胞为圆形，有大量的胞浆，含许多线粒体，发生良好的粗大胞浆内网状结构和高尔基（Golgi apparatus）小体，脂滴，以及很少的溶酶体。中心颗粒（centrioles），表明细胞可能存在再生。从早期到中度进行性骨关节炎的不同年龄病人发现大量软骨细胞，细胞器极为发达。

    ②中度进行期 中层软骨层的细胞母大致由1～20个细胞构成。个别软骨细胞由丝状纤维轮和其余大量的退变软骨细胞围绕。软骨细胞常常与同龄正常人的关节软骨中层相比软骨细胞数为2至3倍，也看到细胞器数量增多。

    ③进行期 处于不同阶段的大量退变软骨细胞数增加。

    3.深层

    ⑴基质 正常情况下，深层胶原纤维排列仅在年龄不断老化才与关节面垂直，在年轻人相反，纤维不与关节面垂直排列。不过，骨性关节炎与老化无关，胶原纤维排列与关节面垂直并由基质分离出来，这种改变尤其见于年轻人的正常关节软骨。

    ⑵细胞 早期骨性关节炎，大多数软骨细胞显示退性变的早期表现：软骨细胞内丝状物质增加，多位于核周部位，细胞器减少。于中度进行期和进行期时，几乎所有软骨细胞处于退变的不同阶段，细胞被成熟的胶原纤维细胞外轮环绕，纤维直径往往很大。细胞核致密，胞浆含有巨大的螺纹状丝，变长增大的线粒体（mitochondria），溶酶体样结构和少量的粗大的胞浆内网状结构。

    早期骨性关节炎改变包括：关节面细小的不规则改变，一层薄的丝状面消失（此种为光泽层），纤维间基质的电子密度降低，细胞的改变，浅表和中层细胞的明显增大，高尔基小体、胞浆内粗大网状结构以及中心颗粒的数量增加。退变时细胞数的改变是浅表层和深层细胞的增多。当骨性关节炎进行性发展时，浅表层皱折加深并向层延伸。胶原纤维与浅表层的裂缝平行排列，与中、深层的关节面垂直走行。尚存活的软骨细胞或单独存在或成团存在，于软骨各层里显示细胞肥大，细胞内细胞器（Organelles）的数目增加，这与细胞内合成活动活跃有关。随骨性关节炎加剧，退变软骨细胞数目增加，这些细胞含有大量的细胞内丝状物和溶酶体样结构。进行性骨性关节炎，所有细胞出现退变和出现一些微小改变（misroscars）。

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    （三）正常关节软骨的生物学特点 为了理解骨性关节炎关节软骨的生物学改变，首先复习正常人关节软骨的生物学特点非常重要。下面就有关这方面的研究摘要几点。

    1.隔绝性 关节软骨是无神经和无淋巴的，除发育期骨骺外，不直接与血管系统接触，营养必须穿过两个扩散屏障才能达到软骨细胞。在成熟的成年人，全部营养必须首先穿出滑膜血管丛，通过滑膜到达滑液，再经透明软骨的致密基质到达软骨细胞。在未成熟动物，关节软骨基底层可通过骨质下面血管分支的扩散得到一些营养。

    软骨基质可自由渗透过营养物质，但由大分子营养成分的扩散由浓度决定，多离子粘多糖（GAG）扩散，扩散力很强，理论上确定孔大小6.8nm（68Å）。正常关节软骨，即使低分子量蛋白穿过软骨基质扩散也是很慢的。

    2.细胞过少 关节软骨的细胞密度很低，尽管细胞成分不多，软骨细胞的活性也差。软骨细胞的固定切片表现小且固缩，核为不规则形态。软骨细胞是一种代谢活跃的细胞，不断合成基质成分，并参与退变的分解过程。有些基质成分显示迅速更新。

    3.基质生物化学 正常人的关节软骨是一种含水很多的组织，水含量高达80%。其余成分是有机物质，大分子固体，由胶原纤维和蛋白多糖（PG）各占一半构成。软骨的胶原大分子是由3α-1（Ⅱ）链构成（与骨和皮肤胶原相反，Ⅰ型，由2α-1链和1α-2链构成。而且，Ⅱ型胶原的α-1（Ⅱ）链与Ⅱ型胶元的α-1（Ⅰ）链相比有结构的不同。Ⅰ型胶原的α-1（Ⅰ）链羟赖氨酸（hydroxylysine）基（residues）数增多，羟赖氨酸（hydroxylysine）的糖基作用（glycosylation）增强。于分子内和分子间的联键也有不同。

    蛋白多糖（PG），由一系列高分子量化合物构成。这些化合物分别于细胞内、外通过中心透明质酸核附近的蛋白多糖键集聚合成。最小的的亚蛋白多糖（PG）有一线性蛋白支柱（backbone），约200nm（2000Å）长与50nm或更长的多二聚（polydimeric）糖（sugars）（GAGS）相连。至少查明关节软骨上有三种不同的蛋白多糖（PG）：6-硫酸软骨素（chondroitin 6-sulfate），4-硫酸软骨素（chondroitin 4-sulfate），硫酸角蛋白（keratan sulfate）。

    正常时，动物老化，4-硫酸软骨素（chodxoitin 4-sulfate）浓度降低比整个粘多糖（GAG）少5%。未成熟软骨硫酸角蛋白（keratan sulfate）的数量扫描显示，随老化发展浓度增高，可升高软骨组织的50%。6-硫酸软骨素是主要的粘多糖（GAG），约占软骨组织成分的45%～75%。

    4.代谢活动 正常软骨细胞的代谢活动是很高的。在新陈代谢（EM，metabolism）情况下，关节软骨中层的软骨细胞显示一个表面粗糙的胞浆网状结构形成巨大的网，扩张池（dilated cisternae）、细胞器和高尔基（Golgi）小体，表明不同基质成分的合成（synthesis）活动。放射性同位素（radioisotopic）检查发现合成活动，蛋白多糖糖（PGS）和胶原蛋白成分集会于细胞内，然后胶原和蛋白糖迅速进入细胞外基质。这个过程使细胞外基质不断更新。蛋白多糖半衰期8天，胶原的更新时间更长。蛋白多糖的更新中间可能通过溶酶体酶和溶酶体外酶系统。

    5.DNA合成 在正常情况下，可由摄入氚的胸苷显示出软骨细胞的再生，但仅在未成熟关节软骨。软骨细胞再生发生于两个层：在骨骼生长活跃期，可能与骨骺的软骨增长有关的表层和近骨骺化骨核的骺板增殖带的基底层。不断老化时，首先在表层有丝分裂减少，最后成熟期DNA合成活动停止。正常关节软骨看不到有丝分裂形式。在某些情况下（例如软骨撕裂或骨性关节炎），软骨细胞可恢复DNA合成和细胞分裂活动。

    6.骨性关节炎关节软骨的代谢 人骨性关节炎的关节软骨合成活动明显活跃，骨性关节炎软骨细胞结合的硫酸根（SO4）比例增高表明蛋白多糖（PG）的合成率上升。人骨性关节炎的粘多糖（GAG）和蛋白合成率是正常关节软骨的两倍，蛋白多糖（PG）的合成率与骨性关节炎的严重性成正比。如病情加重，影响的一个方面是蛋白多糖（PG）合成，由SO4的结合率测蛋白多糖合成情况，若明显降低表明超过了软骨细胞的生理反应能力，说明软骨细胞再生功能衰竭。

    使用3H-胸腺嘧啶核苷（3H-thymidine）为作用物质，测定DNA合成可显示出细胞的增殖率，DNA合成速度与骨性关节炎严重性相一致。轻度或中度骨性关节炎，DNA合成速率上升增长反映细胞的成倍分裂，组织学上则看到细胞群或细胞团。当骨性关节炎完全进入进行期时，3H-胸腺嘧啶核苷结合迅速减少，表明细胞修复活动停止，因此骨性关节炎极度严重时修复过程丧失。

    7.生物化学改变 骨性关节炎软骨的蛋白多糖（PG）含量减少，减少数值与骨性关节炎的严重程度成正比例。由不变的电荷密度降低和用基本染料染色强度的改变显示出软骨研磨的这种消耗。虽然，关节软骨全粘多糖（GAG）含量减少，但各种大分子粘多糖的影响并不一样：与正常相比，硫酸角蛋白（keratan sulfute）相对减少，4-硫酸软骨素（chondrotin 4-sulfate）增加。

    当由羟脯氨酸（hydroxyproline）测定时，胶原成分测不出。但胶原在形态、化学结构性质和合成率都有改变。骨性关节炎软骨细胞不仅合成Ⅱ型胶原（α1Ⅱ）3链，而且也合成相当数量的Ⅰ型胶原（α1Ⅰ2α2）。因此，骨性关节炎关节软骨合成的胶元所产生的胶原纤维比正常关节软骨产生的胶原纤维更近似于皮肤和骨的胶元纤维。骨性关节炎胶元纤维直径更大，分布也更不固定，特别是于软骨表层。

    正常关节软骨水的含量约72%～78%。骨性关节炎的关节软骨炎则不然，水含量明显增高。虽然骨性关节炎关节软骨羟脯氨酸的蛋白多糖（hydrophilic proteoglycan）减少，但能充足的滞留水分，比正常关节软骨有更强的对水亲合力（avidly）。这种现象的引起尚不明了。当用4M盐酸胍（guanidium hydroohloride）将部分蛋白多糖（proteoglycan）从关节软骨中脱出时，可再现水结合能力增高的现象。

    8.骨性关节炎关节软骨的酶 酶的（enzyme）的退化降解是产生骨性关节炎的主要因素。理论上讲，透明质酸酶（hyaluronidase）或蛋白酶（protease）都能对蛋白多糖（proteoglycan）作用发生退化降解。酸性组织蛋白酶（an acid catbepsin）存在软骨细胞的溶酶体对大分子蛋白多糖（ppsproteinpolysaccharides）的蛋核有强大的水解作用。由于组织蛋白酶于酸性pH值时作用最大。所以在正常组织中的pH值呈酸性pH值时，中性状态下的组织蛋白酶产生了水解作用可能更有关系。当酸性磷酸酶（acid phosphatase）显示大大增高时，反映溶酶体活性明显升高（酸性磷酸酶为溶酶体的标志）。

    显示，起初蛋白核心被劈开。最后，目前还未认识的酶，例如多糖酯酶（polysaccharidase）、硫酸酯酶（sulfatase）和氮基乙糖苷酯酶（hexosaminadase）降解粘多糖（GAGs）。

    氯喹（chloroquine）是一种组织蛋白酶（cathepsin）D的强力抑制剂。可地松（cortison）和水杨酸盐（salicylates）没有这种作用。制出组织蛋白酶（eathepsin）D的抗体就能防止软骨的自身溶解。

    9.骨性关节炎关节软骨的物理Ц谋洹≌车圆牧系娜浔洹⒌阅Ａ浚ㄏ凳⒔┯驳牟饬肯允居胝扯嗵牵℅AG）含量接近一致，略与胶原含量一致。已经出现退变但看上去正常的软骨不随病情加重而变硬（较软）。虽然骨性关节炎改变可出现灶局性分布，但退变延伸到另一部位时的僵硬征兆一般不明显。蠕变模量的改变先于软骨纤维化之前。由于蠕变模量与粘多糖（GAG）浓度一致，所以蠕变模量改变是在粘多糖的消耗之后出现的病理改变。

    10.软骨疲劳、关节的力学异常，可产生继发性骨性关节炎（骨关节病）。例如，半月板切除术可增加关节半月板切除侧的接触压力，因此增加了在关节这侧发生骨性关节炎改变的可能。如髋关节的不协调，不管是先天性还是后天性，由于减少了关节接触面积，所以加大了骨性关节炎发病的机会。

    无负荷软骨由水压蛋白多糖（PG）凝胶粘在张力性预应力的胶原网内。压力约为354.64kPa（3½）大气压）。因此，关节软骨的压缩能力与软骨基质中蛋白多糖（PG）的数量成正比，而张力性能与软骨胶原结构成正比（也与胶原数量成正比）。

    关节软骨张力性能，由表层到深层不同，其差别与关节软骨的胶原结构成分有关。在关节软骨表层，张力是切线的。

    关节软骨的张力和刚度随年龄增加而改变。随年龄增长，关节软骨的张力和刚度降低。

    在人的一生中，关节软骨循环往复的负荷、关节软骨表面处于正常压迫。这种循环性负荷可引起关节软骨疲劳损伤。疲劳就是负荷的关节面软骨，在相同大小负荷的反复多次作用下面发生的机械损坏，而如果同样大小的负荷只一次作用于关节软骨上并不发生疲劳性改变。关节软骨随年龄增长抗疲劳性下降是一种关节软骨的疲劳倾向。关节软骨面循环往复的压迫性负荷使发生碎裂，产生了与纤维化相同的表现。

    这些事实表明，骨性关节炎关节软骨疲劳损伤出现纤维化，并因此导致关节软骨的胶原纤维网的疲劳破坏，从而说明了骨性关节炎随年龄增长发生率升高原因之所在。

    尽管软骨基质胶原的数量不因年龄渐增和骨性关节炎的发作而减少，但胶原纤维网的力学结构关系却被损坏，很可能发生胶元纤维本身或纤维间的交叉连接断裂。一旦关节软骨表面碎裂，正常情况下能维持蛋白多糖（PG）存留的胶元纤维破裂，可仅因这种损耗而减少。