Переломы сустава обычно приводят к посттравматическому остеоартриту сустава. Частота возникновения остеоартрита после травмы сустава, по литературным данным, превышает 75%, а риск развития остеоартрита коленного сустава может увеличиться более чем в 20 раз, если произошел внутрисуставной перелом.
Несмотря на современные усовершенствования в технике и методах лечения, частота встречаемости посттравматического остеоартроза за последние несколько десятилетий существенно не улучшилась. Развитие ПТОА после внутрисуставного перелома может быть связано с множеством факторов, таких как повреждение суставного хряща на ранних стадиях травмы, нестабильность сустава на более поздних стадиях, а также чрезмерная нагрузка на сустав из-за неровности суставной поверхности или изменения оси, что может спровоцировать развитие ПТОА.
Понимание патогенеза ПТОА и разработка обоснованного плана лечения являются наиболее полезными исследованиями для клинических целей. В данной статье представлен обзор патогенеза и лечения ПТОА для руководства в повседневной клинической практике.
ПТОА обычно возникает после травмы сустава и является наиболее распространенным осложнением внутрисуставного перелома или нестабильности сустава. В литературе сообщалось, что примерно 12% медицинских расходов после переломов бедра, колена и лодыжки напрямую связаны с поздним ПТОА, а в США ежегодные медицинские расходы на ПТОА приближаются к 3 миллиардам долларов.
По данным литературы, риск развития послеоперационного остеоартрита у пациентов с тяжелой травмой сустава составляет 75%, а у пациентов с внутрисуставными переломами он повышен в 20 раз. Несмотря на значительные достижения в области хирургических методов лечения и инструментария для периартикулярных суставов на протяжении десятилетий, частота возникновения ПТОА радикально не уменьшилась.
Механизмы, по которым возникает ПТОА после травмы сустава, до сих пор четко не изучены, поэтому раннее клиническое вмешательство и профилактика ПТОА остаются сложными. Имеющиеся научные данные свидетельствуют о том, что развитие ПТОА связано с рядом факторов, включая раннюю травму, повреждение суставного хряща, биологический стресс (кровоизлияние, воспаление) и более позднюю хроническую перегрузку сустава из-за нестабильности сустава, неровности суставной поверхности и нарушения центровки оси сустава; другие значимые факторы включают возраст пациента и тяжесть травмы. В данной статье объясняются механизмы, участвующие в возникновении ПТОА, и предлагаются меры по предотвращению и уменьшению возникновения ПТОА.
Структура, функция и реакция суставного хряща на механическую травму
Внутрисуставная структура хряща содержит приблизительно 60-85% воды, в то время как твердый матрикс содержит ряд внеклеточных коллагеновых волокон (в основном тип II, но также тип VI, IX, XI), протеогликаны (в основном агрегированные протеогликаны, но также основные протеогликаны, димерные гликаны, фибриногликаны).
Состав, структура и ремоделирование хряща в суставе обычно совместимы с нормальной функцией сустава, и его реакция на травму происходит относительно медленно. Механические раздражители суставного хряща, такие как травма, могут привести к биологической реакции на макро- (тканевом) или микро- (клеточном) уровне, которая активирует внутриклеточные сигнальные пути и запускает каскад ответных реакций. В зависимости от характера механического повреждения и локальной среды в суставе после травмы клетки суставного хряща могут либо восстанавливаться, либо дегенерировать, причем последнее сохраняется и приводит к ПТОА.
Патогенез ПТОА
1. острая внутрисуставная травма
Острая внутрисуставная травма в настоящее время рассматривается как механизм патогенеза ПТОА. Травма внутрисуставного хряща может вызвать гибель хондроцитов или дисфункцию хряща, что впоследствии приводит к дегенерации хряща во всем суставе. Исследования показали, что хрящевые блоки с внутрисуставными переломами пяточной кости содержат значительно меньшее количество хондроцитов, чем нормальный контроль (73% против 95%, p=0,005).
В недавнем исследовании Tochigi et al., в котором модель перелома вершины большеберцовой лодыжки была создана путем прямого вертикального продольного насилия на свежем образце лодыжки человеческого трупа, было обнаружено, что количество выживших хондроцитов в области лодыжки ближе к линии перелома было значительно ниже, чем в области дальше от линии перелома (25,9% против 8,6%), и что количество погибших хрящей продолжало увеличиваться через 48 часов после травмы.
На животных моделях было обнаружено, что гибель хондроцитов обычно происходит вблизи линии перелома, и что количество хондроцитов, выживших в суставах, поврежденных в результате насилия без перелома, было выше, чем в местах перелома, что позволяет предположить, что силы, превышающие физиологические уровни нагрузки в суставах, могут привести к серьезному острому повреждению внутрисуставных клеток.
В нескольких экспериментах in vitro были изучены пути, приводящие к гибели хондроцитов после внешнего воздействия на полость сустава, чтобы определить, является ли гибель хондроцитов апоптотической или некротической. Механомеханические исследования in vitro выявили корреляцию между гибелью клеток и продолжительностью и степенью внешней силовой нагрузки. В экспериментах in vitro одни исследования выявили признаки раннего некроза хондроцитов, другие — сигнальные молекулы для апоптоза, и неясно, как вышеупомянутый некроз или апоптоз клеток приводит к каскаду реакций ПТОА.
Одним из возможных механизмов запуска каскада гибели хондроцитов является локальное высвобождение провоспалительных медиаторов или кислородных радикалов в травмированном суставе, а сохранение этих веществ в суставе может привести к прогрессирующему повреждению хондроцитов и дегенерации матрикса. Некоторые исследования in vitro показывают, что внешнее воздействие на сустав приводит к повреждению митохондрий в суставных хондроцитах и высвобождению кислородных радикалов, что вызывает гибель суставных хондроцитов и дегенерацию хрящевого матрикса.
Более сильные удары могут привести к более серьезному локальному повреждению тканей и более высокой доле гибели суставного хряща и разрушения матрикса. Внутрисуставные переломы могут привести к увеличению количества предшественников воспалительных цитокинов и медиаторов в синовиальной мембране (например, фактор некроза опухоли-a, интерлейкин-1, NO, матриксные металлопротеиназы, фибронектин.
Недавнее исследование на животных моделях показало корреляцию между событиями клеточного повреждения и развитием ПТОА после травмы сустава. borrelli et al. обнаружили снижение маркеров метаболизма хондроцитов (проколлаген II, BMP-2) в коленном суставе в кроличьей модели внешней травмы колена с повреждением хрящевого внеклеточного матрикса. Другие соответствующие исследования показывают, что вязкоупругость внутрисуставного хряща изменяется со временем, в то время как образование внутрисуставной субхондральной кости увеличивается.
В исследовании Furman и др. на мышиной модели перелома плато большеберцовой кости дегенеративные внутрисуставные повреждения, включая снижение плотности костной ткани и увеличение толщины субхондральной кости, возникли в течение 8 недель после травмы без лечения, а серьезная внутрисуставная потеря хряща произошла через 50 недель после травмы, в дополнение к внутрисуставным изменениям, включая пролиферацию воспалительных факторов и изменение биомаркеров сыворотки и синовиальной жидкости.
Результаты данного исследования позволяют предположить, что воспалительная реакция после внутрисуставной травмы играет очень важную роль в развитии ПТОА и что снижение степени внутрисуставной воспалительной реакции на ранних стадиях травмы может уменьшить тяжесть послеоперационной ПТОА у пациентов. Результаты данного исследования позволяют предположить, что воспалительная реакция после внутрисуставной травмы играет очень важную роль в развитии ПТОА, и что снижение степени внутрисуставного воспаления на ранней стадии травмы может уменьшить тяжесть ПТОА после операции.
2. длительная перегрузка суставов
Пациентам с внутрисуставными переломами рекомендуется раннее хирургическое лечение для восстановления ровной суставной поверхности и надежной фиксации перелома. Неровные суставные поверхности, нестабильность сустава и нарушение оси сустава играют определенную роль в развитии ПТОА; однако точный механизм, посредством которого эти факторы играют роль в развитии ПТОА, остается неясным. Хотя в настоящее время требования к неровности поверхности шва ограничены 2 мм, для некоторых швов неровность поверхности шва более 2 мм может быть допустимой.
Некоторые исследования на животных и методом конечных элементов показали, что неровности на суставной поверхности могут привести к устойчивому увеличению контактного давления на суставной поверхности, при этом в одном исследовании на трупе голеностопного сустава сообщалось, что наличие ступенчатых изменений на суставной поверхности может привести к увеличению внутрисуставного контактного давления более чем на 300%.
Нестабильность сустава после травмы и неровность суставной поверхности могут привести к увеличению контактных нагрузок на локализованных участках, изменяя структуру переноса веса в суставе, что приводит к смещению площади контакта с нагрузкой на нетрадиционные участки, что приводит к износу сустава.
Однако многие модели внутрисуставных переломов также показали, что увеличение контактного напряжения не так велико, как можно было бы ожидать при внутрисуставных переломах, даже если суставная поверхность неровная. В одном из исследований на собаках было обнаружено, что дефект хряща толщиной 7 мм в медиальном мыщелке бедренной кости увеличивает контактные нагрузки при ношении тяжестей всего на 10-30%.
Однако результаты вышеупомянутого исследования были получены при фиксированных других суставах и активном исследуемом суставе и могут не имитировать условия повседневной жизни человека, поэтому выводы таких исследований следует принимать с осторожностью. Кроме того, такие исследования не учитывают нестабильность суставов в процессе исследования. На данном этапе произошли улучшения в методах, используемых для оценки динамических напряжений контактной нагрузки in vitro и in vivo. Необходимы дополнительные исследования на более поздних этапах, чтобы оценить окончательное влияние выравнивания суставной поверхности и стабильности сустава на развитие ПТОА после внутренней фиксации внутрисуставных переломов.
Недавно Giannoudis et al. провели систематический обзор корреляции между ступенчатыми изменениями суставной поверхности и риском развития ПТОА сустава. Было установлено, что риск развития ПТОА, по-видимому, связан с задействованным суставом. В ПТОА при внутрисуставных переломах дистального отдела лучевой кости было обнаружено, что внутрисуставные ступенчатые изменения и размер суставной щели ассоциируются с высокой частотой возникновения ПТОА при визуализации, однако не было получено клинических доказательств того, что более плохая внутрисуставная репозиция перелома или дегенеративные изменения при визуализации ассоциируются с более плохим долгосрочным прогнозом для функции запястья.
В мета-анализе ПТОА после хирургического лечения переломов вертлужной впадины было установлено, что анатомическая репозиция верхней несущей области вертлужной впадины снижает частоту послеоперационных ПТОА и улучшает клинико-функциональный прогноз; нестабильные переломы, такие как задний край вертлужной впадины, были независимым фактором риска для прогноза ПТОА, независимо от степени внутрисуставной репозиции перелома.
Кроме того, два исследования переломов плато большеберцовой кости выявили лучший функциональный прогноз при тяжелых бикондилярных переломах с хорошей внутрисуставной репозицией. Другие факторы, такие как стабильность сустава, сохранность мениска и осевое выравнивание колена, могут быть более важными в развитии ПТОА, и было высказано предположение, что лучшая переносимость неровностей в колене может быть связана с более толстым суставным хрящом в пределах суставной поверхности колена. Не существует единого понимания приемлемого диапазона максимальных значений для ступенчатых изменений в пределах суставной поверхности.
Конкретные механизмы, участвующие в развитии ПТОА, такие как ступенчатые изменения суставной поверхности, нестабильность сустава и нарушение оси сустава, пока не ясны. Согласно данным более ранней литературы, могут существовать различные механизмы развития ПТОА в разных суставах; развитие ПТОА в колене может быть связано с выравниванием оси колена и сохранением связки/мениска. У большинства пациентов с внутрисуставными переломами восстановление плоскостности суставной поверхности, стабильности сустава и выравнивание оси сустава — это три области, которые позволят снизить частоту возникновения ПТОА.
Оценка репозиции перелома суставной поверхности
Суставную поверхность можно оценить предоперационно, интраоперационно и послеоперационно с помощью рентгенографии, компьютерной томографии и визуализации. В некоторых исследованиях сообщалось о плохом межгрупповом согласии между хирургами-травматологами при оценке плоскостности суставной поверхности на рентгеновских снимках.
Использование КТ повышает точность предоперационной оценки переломов суставных фасеток, а также обеспечивает более точную оценку послеоперационной репозиции фасеток; КТ более чувствительна, чем рентген, для предоперационной оценки переломов суставных фасеток; у некоторых пациентов результаты КТ даже могут быть решающими при определении хирургического лечения. В исследовании точности оценки 2D и 3D КТ переломов дистального отдела лучевой кости было установлено, что 3D КТ может изменить хирургическое решение у 48% пациентов.
Moed et al. сравнили точность рентгеновской и КТ оценки 67 редукций переломов задней стенки вертлужной впадины. анатомическая репозиция наблюдалась у всех пациентов на рентгенограмме, но на КТ у 11 пациентов репозиционные неровности суставной поверхности составляли более 2 мм, а у 52 пациентов имелись зазоры между редукциями переломов более 2 мм. Эти данные свидетельствуют о том, что рентгенограммы не точны в оценке внутрисуставных переломов и что для точной оценки репозиции внутрисуставного перелома необходимо предоперационное и послеоперационное КТ-исследование.
Использование интраоперационной 3D КТ-реконструкции и внутрисуставной визуализации может обеспечить эффективную оценку внутрисуставной репозиции и направить точное размещение внутрисуставных пластин. Использование интраоперационной 3D КТ или визуализации может снизить вероятность того, что пациентам потребуется повторная операция из-за плохого положения пластины, проникновения винта и неравномерной репозиции суставной поверхности, хотя использование интраоперационной КТ для направления репозиции перелома суставной поверхности все еще редкость.
Лечение внутрисуставных переломов и его влияние на ПТОА
В настоящее время лечение внутрисуставных переломов направлено на восстановление плоскостности суставной поверхности, восстановление стабильности сустава и осевого выравнивания колена, что позволяет снизить частоту возникновения долгосрочного ПТОА. Был проведен ряд исследований, направленных на снижение или облегчение частоты возникновения ПТОА при внутрисуставных переломах.
Улучшение репозиции внутрисуставных переломов
Поскольку интраоперационная визуализационная оценка внутрисуставных ступенчатых изменений неточна, в настоящее время ученые-клиницисты ищут метод улучшения точной оценки внутрисуставного фрагмента перелома. В большей степени в опубликованной литературе описаны методы улучшения внутрисуставной репозиции с помощью артроскопии.
Систематический анализ методов артроскопической репозиции, опубликованный Atesok et al., показал, что методы артроскопической репозиции в настоящее время широко используются в различных местах переломов, таких как большеберцовое плато, межкондилярный гребень большеберцовой кости, лодыжка, пилон, пятка, головка бедренной кости, суставная гленоид, большой бугорок, дистальная ключица, головка лучевой кости, венечный отросток, дистальная лучевая кость и скафоид.
Потенциальные преимущества артроскопической техники шлифовки включают прямую визуализацию поверхности сустава, уменьшение внутрисуставной травмы, интраоперационную диагностику или лечение повреждений хряща и связок, внутрисуставную дебридмент и промывание. Однако важно отметить, что метод артроскопической ассистированной шлифовки более требователен к оператору и имеет повышенную частоту медицинских расходов и рисков, связанных с дополнительной процедурой, таких как синдром остеофасциального отсека.
Существует обширная литература, сравнивающая различия в клинической функции и прогнозе визуализации после артроскопического вправления перелома и стандартной открытой операции. В двух исследованиях сравнивались результаты после внутрисуставных переломов дистального отдела лучевой кости: в одном из них сравнивался прогноз между артроскопически ассистированной и флюороскопически ассистированной техниками вправления, а в другом — между артроскопически ассистированной и обычной открытой техникой вправления. В обоих исследованиях было отмечено значительное улучшение визуализации и подвижности сустава в группе с артроскопически ассистированной техникой по сравнению с другой группой, но при сравнении функции суставов пациентов между группами окончательных выводов сделано не было.
В двух исследованиях, сравнивающих клинический прогноз артроскопически ассистированного и открытого вправления переломов плато большеберцовой кости, было установлено, что в группе артроскопически ассистированного вправления госпитализация была короче, время до полной опоры на нижнюю конечность было короче, а ранняя функциональная подвижность сустава и репозиция суставной поверхности — лучше, но не было сделано окончательных выводов относительно функционального прогноза этих двух групп при длительном послеоперационном наблюдении. Необходимы дополнительные клинические исследования, чтобы определить, могут ли артроскопически-ассистированные методы сращения переломов кардинально улучшить функциональный прогноз сустава и снизить частоту возникновения ПТОА на поздних стадиях.
Биологические вмешательства и долгосрочные исследования
Биологические вмешательства для лечения остеоартрита в настоящее время являются актуальной темой продолжающихся медицинских исследований. Большинство исследований было посвящено лечению остеоартрита средней и продвинутой стадии. Стадирование острой травмы сустава и биологический ответ на травму обеспечивают отличные терапевтические мишени для раннего биологического вмешательства (Таблица 2). Биологическое лечение внутрисуставных переломов может действовать на любой из стадий повреждения сустава — ранней, промежуточной (катаболический и анаболический гомеостаз) и поздней (ограниченная репарация, ремоделирование, формирование матрикса).
Ранние стадии повреждения суставов включают гибель клеток и воспалительную реакцию (апоптоз/некроз) с повышением уровня воспалительных факторов, ферментов, кислородных радикалов и т.д. Привлекательные изменения могут привести к повреждению суставов в отдаленном будущем. Исследование in vitro показало, что внутрисуставное местное применение ингибитора апоптоза снижает механически индуцированную гибель суставных хондроцитов на ранних стадиях повреждения сустава.
Местное применение поверхностно-активного фактора P188 (фактор, стабилизирующий клеточные мембраны, который ингибирует связанный со стрессом цитокинин-активирующий белок P38) уменьшает проявление апоптоза. Блокирование фибронектинового пути эффективно для уменьшения клеточного повреждения и механической дегенерации. Местное применение антиоксидантов в течение нескольких часов после травмы может уменьшить гибель хондроцитов и дегенерацию матрикса in vitro.
Местное применение инъекций дексаметазона также может в некоторой степени улучшить начало дегенерации внутрисуставного хряща. Несмотря на положительные результаты всех этих исследований, существует еще больше препятствий для их практического применения у людей.
Двумя из более известных биологических факторов, используемых в клинической практике, являются производные гиалуроновой кислоты и BMP-7, которые, как было показано, задерживают или предотвращают прогрессирование ПТОА. Исследователи считают, что НА уменьшает развитие остеоартрита за счет снижения скорости разрушения материала и уменьшения высвобождения воспалительных факторов и ферментов в суставе на ранних стадиях повреждения сустава.
Исследование синовиальной ткани, полученной после перелома плато большеберцовой кости, показало, что НА обладает противовоспалительным и хондропротекторным действием. Однако в некоторых исследованиях также сообщалось об отсутствии значительного эффекта от применения НА при лечении ПТОА локтевого сустава. Местное применение BMP-7 в поврежденном суставе в течение 3-4 недель после операции обладает хондропротекторной функцией.
Учитывая скудность литературы по использованию биотерапевтических факторов в клинической практике, пока невозможно точно судить о конкретной эффективности таких агентов. Кроме того, в настоящее время тканевая инженерия становится актуальной темой исследований в области лечения травм суставов, но этот вид лечения не является целью данной диссертации в настоящее время.
Заключение
Развитие ПТОА после внутрисуставного перелома является многофакторным процессом, при этом раннее повреждение хряща, гибель хондроцитов, разрушение клеточного матрикса, высвобождение воспалительных факторов и свободных радикалов кислорода, поздняя нестабильность сустава, неровные суставные поверхности и дезорганизованное выравнивание сустава — все это, вероятно, влияет на окончательное развитие ПТОА. В будущем необходимы дополнительные исследования, чтобы продемонстрировать окончательное влияние этих факторов на развитие и прогрессирование ПТОА, а также разработать рациональные стратегии лечения для предотвращения развития ПТОА соответственно. Исходя из современных клинических данных, будущая профилактика и лечение ПТОА может представлять собой многогранную комбинацию биоинтервенционной терапии в сочетании с хирургическим лечением.