膝关节自体软骨细胞移植术后康复的研究进展

Abstract

Objective

To summarize the research progress of rehabilitation after autologous chondrocyte implantation (ACI).

Methods

The literature related to basic science and clinical practice about rehabilitation after ACI in recent years was searched, selected, and analyzed.

Results

Based on the included literature, the progress of the graft maturation consists of proliferation phase (0-6 weeks), transition phase (6-12 weeks), remodeling phase (12-26 weeks), and maturation phase (26 weeks-2 years). To achieve early protection, stimulate the maturation, and promote the graft-bone integrity, rehabilitation protocol ought to be based on the biomechanical properties at different phases. Weight-bearing program, range of motion (ROM), and options or facilities of exercise are importance when considering a rehabilitation program.

Conclusion

It has been proved that the patients need a program with an increasingly progressive weight-bearing and ROM in principles of rehabilitation after ACI. Specific facilities can be taken at a certain phase. Evidences extracted in the present work are rather low and the high-quality and controlled trials still need to improve the rehabilitation protocol.

关节软骨是关节中重要的解剖结构，有减轻关节摩擦力、增强运动顺滑性，以及缓冲压力负荷的功能。软骨缺损是临床常见疾病，由于关节软骨缺少神经和血管分布，自愈修复能力有限，进而影响了临床治疗效果。目前，膝关节软骨缺损的外科治疗手段主要有微骨折技术、自体/同种异体骨软骨移植技术及自体软骨细胞移植术（autologous chondrocyte implantation，ACI）^[1]。

ACI 技术是一个基于细胞层面的软骨修复技术，首先于关节镜下评估软骨缺损部位，获取软骨细胞并进行体外培养，然后将培养的细胞重新移植至缺损病灶，取胫骨近段骨膜覆盖其上^[2]。ACI 技术修复软骨缺损的疗效除了与手术技巧有关外，还与术前症状持续时间、术前损伤史、移植物大小、患者年龄、术后康复训练有密切关系^[3]。近年来，ACI 术后移植物的成熟过程以及膝关节生物力学研究均取得长足进展，同时患者对快速康复的需求也在增加。因此，一个符合移植物在体内成熟和分化过程，以及膝关节固有的生物力学特点的康复方案，才能满足临床康复要求。此外，ACI 手术技巧不断改进，为适应新的手术方式，康复方案也需要进一步调整^[4]。现对膝关节 ACI 术后康复的基础及临床相关研究报道作一综述，归纳循证医学证据，并提出康复方案，以期为术后患者康复锻炼提供参考。

1. 基础研究

ACI 术后康复锻炼旨在通过机械运动，提供一个适宜软骨再生的环境。适当机械刺激可促进移植物的成熟^[5]，但过度、不恰当的负荷不利于移植物的成熟。另外，移植物的成熟也与关节软骨细胞的增殖及关节软骨细胞外基质的生成有密切关系^[6]。由于软骨移植物在体内再生和分化过程不同阶段，其生物学特性不同^[7]，因此科学的康复方案必须以移植物在成熟过程中不同阶段所具有的特性为基础。有研究表明，压缩循环负荷可促进软骨形成，加速软骨修复和成熟^[8]。而术后过度制动及静止压缩负荷，则不利于软骨的修复和再生^[9]。

基于目前的临床试验和动物实验研究，软骨细胞植入后移植物成熟过程可分为 4 个阶段^[10]。第 1 阶段为增生期（术后 0～6 周），此时软骨细胞增生、填充至缺损部位，并产生细胞外基质。此阶段原始软骨细胞开始附着在缺损处骨结构的下表面，缺损部位注入的移植物（主要由软骨细胞及其产生的细胞外基质构成）呈液态，此时患者体位改变即会影响软骨细胞的迁移。任何剪切力和过度的压缩负荷均不利于此阶段的软骨修复。但适当的关节运动和部分负荷对软骨细胞的营养和生长很重要。因此，此阶段康复主要为软骨细胞提供适当的良性刺激，同时防止瘢痕组织过度增生形成关节粘连。第 2 阶段为过渡期（术后 6～12 周），是软骨细胞产生蛋白多糖和Ⅱ型胶原的过程。过渡期间移植物逐渐固化，并整合至周围关节软骨和软骨下骨。从此阶段开始，康复的主要目标为最大程度达到关节伤前运动范围，逐步增加负重，并恢复正常步态。第 3 阶段为重塑期（术后 12～26 周），此时软骨细胞继续产生一个包含蛋白多糖、Ⅱ型胶原和其他基质蛋白的细胞外基质，移植物进一步固化。此阶段康复重心应转移至肌肉力量强化、耐力训练及运动功能的恢复训练^[11]。第 4 阶段为成熟期（术后 26 周～2 年），此时基质蛋白大片聚集且固定在组织中，Ⅱ型胶原网格整合进软骨下骨。此阶段康复目标为恢复至伤前功能状态，回归正常体育活动。

关节软骨损伤后制动或未适当负重均不利于关节功能康复。其中，制动可能会导致软骨产生退行性改变^[12-14]。Campbell 等^[15]进行了一项动物实验，他们对 11 只家兔进行单侧腿严格制动（实验组）、对侧腿假手术处理（对照组），32 周后膝关节组织学分析结果显示：与对照组相比，制动 32 周后实验组膝关节中软骨逐步被骨性组织代替，其中非负重部位改变更明显。Nomura 等^[16]对一组大鼠进行了自身对照研究，采用组织形态学、免疫组织化学等方法观察制动或未负重后软骨改变，结果发现制动或未负重后软骨体积明显缩小。他们提出这可能与软骨细胞代谢状态改变有关，包括蛋白聚糖加速分解和软骨基质过度钙化。基于制动会诱导软骨退行性病变，Nagai 等^[17]以 Wistar 兔为研究对象，观察制动一段时间后再恢复运动对关节的影响。结果显示，相对于制动后不恢复运动，制动后恢复运动兔软骨退行性疾病更显著，即恢复运动“放大”了制动的危害，并且可能会在特定部位（如运动时应力传导过渡区域）形成囊肿。

随着对软骨细胞成熟过程和组织学认识的逐渐深入，以及移植物及手术方式的发展，学者们认为功能锻炼的负重程序也应适应新的移植物种类或新的手术方式，这主要体现在从部分负重过渡到完全负重所需时间方面^[18]。最早基于骨膜的 ACI（periosteal ACI，PACI）术后康复相对保守，主要体现在恢复完全负重的时间较长，需要 1 个 6 周的趾触负重，随后再经过 6 周逐渐负重，才可达到完全负重^[19]。之后，以胶原覆盖的 ACI（collagen-covered ACI，CACI）出现，此时开始提倡术后负重递增速度增快，但患者恢复完全负重仍需要 11～12 周^[20]。早期负重方案相对保守与早期术式（PACI、CACI）移植物固定方法创伤相对较大有关，而创伤较小的基质诱导的 ACI（matrix-induced ACI，MACI）出现后，早期负重方案则不再适合。有研究结果显示，在不损害移植物整合和不影响功能恢复的前提下，可将恢复完全负重的时间提前至术后 8～12 周^[21]。近期，Ebert 等^[22]报道进一步将完全负重时间提前至术后 6 周。他们设计了一项随机对照研究，对 35 例接受 MACI 的患者随机分为两组，快速康复组在 6 周恢复完全负重，对照组采用传统的 8 周达完全负重，结果表明快速康复组可在不影响移植物生物活性的前提下，减少使用辅助设备行走时间。此外，Werner 等^[23]的研究中，20 例接受自体骨软骨移植术患者术后即开始行 50% 负重锻炼，4 周后达完全负重，随访 4 年未观察到相应并发症，且患者回归运动的时间明显缩短。

Freedman 等^[24]采用 MRI 对不同屈曲角度时膝关节髌股关节接触面积的差异进行了研究，结果显示从屈曲 60°到 140°，髌股关节接触面积呈现先变大再变小的趋势。髌股关节应力可视为髌韧带和股四头肌韧带对髌骨的合力。因此，综合髌股关节应力和接触面积考虑，在无负重的开链运动下膝关节屈曲 30～90° 时应力最小，这也是新的关节软骨受到损伤最小的运动范围。术后康复时运动范围由移植物的具体位置（即原软骨缺损的位置）决定，例如当膝关节屈曲 90～120° 时，内侧股骨髁与内侧胫骨平台接触，因此若损伤以及移植部位在关节内侧，康复时应避免深度屈曲，将运动范围控制在 0～80°；若损伤在内侧关节时，在内旋 15° 时内侧关节间应力会明显增加，要避免此动作^[25]。

2. 临床研究

2.1. 术前

术前对患者进行教育，了解并帮助患者建立对于疾病治疗的期望对术后康复很重要。Toonstra 等^[26]的一项研究提示，术前对患者教育并鼓励其进行术前康复相关训练，建立术后明确康复计划目标，可明显提高术后康复的依从性以及长期效果。另一项针对 122 例患者的前瞻性研究表明，对于膝关节病患者，术前 6 周进行运动训练可有效改善术后膝关节运动范围，可更快地达到膝关节屈曲 90°，并可明显缩短住院时间^[27]。另一个多中心随机对照试验也提出，一个完善的术前和术后康复训练方案，可显著提高患者自述的恢复效果^[28]。

2.2. 术后

2.2.1. 增生期（术后 0～6 周）

术后由于移植物尚处于液态，易被过高应力损伤，因此此期康复锻炼的主要目标是减轻关节内渗出，维持髌骨稳定性，恢复关节运动范围，以及给予移植物有效刺激，同时减轻移植部位剪切力。但此期需要注意维持“保护”和“刺激”之间的平衡。因为，有研究表明早期过度关节制动，对肌肉和关节软骨仍有不利影响，甚至短期制动也会使软骨萎缩以及软骨整合不完全^[29]。

早期关节运动范围主要与损伤和移植部位有关。动物实验显示，持续性被动运动（continuous passive motion，CPM）对早期预防关节僵硬、恢复完整运动范围有积极作用^{[5, 30]}。对于 MACI 而言，在术后几个小时内即可开始最大达 30°的被动屈膝运动；胫股关节 CPM 可在 6 周内逐渐增加至 60°，髌股关节可逐渐增加至 90° ；主动运动在术后 2 周内可达 30°，在 6 周内最大可达 125°^[9]。一个起限制作用的支架在早期康复中具有重要作用。虽然缺乏高质量的实验研究数据，但临床经验和文献均推荐在早期康复中使用限制性支架^[31]。在早期康复阶段，为了不损伤移植物，在术后 2 周内支架应控制在 30°范围内，6 周时可逐步放宽至 45° ^[32]。

由于胫股关节和髌股关节生物力学不同，两者早期负重计划也稍有区别。对于髌股关节而言，应鼓励患者术后立刻进行膝关节全伸直位下的完全负重，因该体位不会对移植物造成损害。对于胫股关节而言，主张术后 2 周内关节无负重，随后在 2～6 周内逐步增加至体质量的 60% 负重。在此阶段患者需要扶双拐辅助行走，以控制负重量。虽然许多研究表明术后早期进行负重对移植物的成熟和分化有利，进而促进关节功能恢复^{[5, 15, 17, 33]}。但也有动物实验报道指出，早期机械负重可能使炎症期和修复期延长，延缓组织修复^[34]。

对于早期术后疼痛，有学者建议用冷冻疗法进行缓解，其作用机制可能为限制炎性反应、减少血流和减轻细胞代谢^[35]。同时还可以选择水疗控制疼痛。一项 Meta 分析显示^[36]，水疗在提升骨骼肌肉疾病患者的肌肉力量和耐受力方面，相对于空白组（不进行锻炼）和对照组（陆地锻炼），均未见明显差异。作者提出若患者可在无痛、无运动障碍的前提下，将膝关节屈曲 90° ，即可开始固定卧式自行车等其他运动。Callaghan 等^[37]通过 MRI 观察了在负重下佩戴膝关节支架时，髌股关节的生物力学状态，提出髌骨支架可改变髌股相对位置，增加接触面积，减少关节应力，因此他们认为术后在负重下髌骨支架可更好地保护关节软骨。

2.2.2. 过渡期（术后 6～12 周）

在过渡期，运动对促进软骨修复同样有着重要的作用^[38]。此期间患者康复锻炼目标为在无痛情况下，膝关节运动范围恢复至与伤前相近的范围；在无需辅助情况下患者能完成 6 min 步行试验，恢复步行功能，且步态基本正常；在无支架辅助情况下可进行竖直自行车运动。对于胫股关节而言，此时可去掉限制性支架，使膝关节运动范围达到伤前状态，并从 60% 负重逐步恢复至完全负重。对于新一代的 ACI（如 MACI）术后 8 周即可恢复完全负重。Wondrasch 等^[39]进行了一项随机对照试验，对 31 例患者分别选择于 ACI 术后 6 周或者 10 周完全负重，在术后 2 年及 5 年随访时，发现两组患者临床功能评分和膝关节影像学评估无显著差异。除了运动范围的恢复训练，适当的肌肉收缩训练也是必要的，否则也不利于膝关节软骨恢复^[40]。ACI 术后本体感觉障碍是常见并发症，这可能与开放手术损伤机械感受器有关^[41]。因此，在康复计划中需要增加神经肌肉训练^[9]，注意神经肌肉和力量训练应该在恢复完全负重后尽早进行，可以采用膝关节下挤压^[42]、闭链运动、在不平稳的地面步行、在泡沫垫上站立等方法训练。有报道患者可用一个基于智能手机的 Iproprio 康复系统，在出院后进行本体感觉训练，应注意从双脚到单脚、从睁眼到闭眼等循序渐进^[43]。在此阶段尚不可剧烈运动，否则会产生不同程度的软骨退行性改变^[13]。除了常规的训练外，有动物实验显示小剂量激光疗法对调节软骨代谢、抑制软骨退化也有帮助^[44]。

2.2.3. 重塑期（术后 12～26 周）

重塑期移植物已基本固定，此期康复锻炼的目标为患者恢复无痛性、完全负重的正常步态行走，并可在无痛情况下缓慢上下楼梯，本体感觉进一步恢复，并可逐步回归工作和生活。此阶段可进行开链运动（如直腿抬高）或闭链运动（如改良腿部推举运动），同时结合直立自行车等。等长力量训练可有效刺激软骨组织，使关节软骨增厚^[45]。有研究报道在此阶段开始用抗重力跑步机，可增强康复的效果和改善主观膝关节运动功能，抗重力跑步机 alter-G 作为最新的术后康复方式，不仅可以从情绪角度提高患者的术后状态^[46]，并且可以通过更频繁的训练来提升康复效果^[47]，而这方面的研究也成为了临床研究热点。目前，临床将在速度为 8 km/h 的机器上跑步坚持超过 10 min 作为进入下一阶段的评价指标^[48]。Iijima 等^[49]的动物研究证实在跑步机上慢跑有助于抑制软骨下骨囊肿形成，减少软骨退化，抑制骨细胞凋亡。此时可逐步开始心脏耐力训练，但不宜与肌肉力量训练同步。Bailey 等^[50]进行了一项随机对照研究，他们将 11 例 ACI 术后患者随机分为传统肌肉训练和心脏耐力同步康复训练组（对照组），以及两种训练不同步组（控制组）。48 周后，与对照组相比，控制组在膝关节损伤与骨关节炎评分（KOOS）、国际膝关节文献委员会（IKDC）膝关节评估表、神经肌肉的峰力值、电机械延迟值等方面均显著改善，提示心脏耐力训练与肌肉力量训练不同步更有利于关节功能恢复。

2.2.4. 成熟期（术后 26 周～2 年）

此阶段主要是回归运动。关节软骨缺损后许多患者出现股四头肌力量减弱，特别是在上楼时^[51]，且双侧肢体在等动力运动中力量不对称^[52]，因此肌肉力量训练为本阶段训练重点。可进行骑行、跑步等训练，目标是达到健侧肌肉力量的 90% 以上。另外，闭链运动和本体感觉训练加大难度，并从慢跑逐渐过渡到更剧烈的对抗性运动。同时需要注意若患者体质量指数过高，会持续增大膝关节应力，从而不利于软骨恢复，所以患者需要适当控制体质量^[53]。

运动员是膝关节软骨损伤高发人群，对于运动员而言需要进行特定运动相关的训练，完全回归赛场的时间需要结合患者本身、病灶特定、合并症以及运动特点来决定。一般来说术后 9 个月内不建议完全回归运动。一项对 MACI 术后随访 24 个月的研究显示，与术后 12 个月后恢复正常运动相比，术后 12 个月内即恢复正常运动临床疗效较差^[54]。各阶段康复锻炼计划详见表 1。

表 1.

Postoperative rehabilitation protocol

各阶段康复锻炼计划

时间 Time	目标 Goal	关节活动范围 ROM	负重程度 Weight-bearing	可配合的锻炼方法 Options of concurrent exercise
增生期 （术后 0～6 周）	减轻关节渗出 维持髌股稳定 恢复关节运动范围 保护移植物	主动/被动运动 0～2 周达 0～30° 3～6 周达 0～125°	0～2 周达完全负重的 20% 3～6 周达完全负重的 30%～60%	CPM 双拐杖辅助行走 限制性支架 水疗 冷冻疗法
过渡期 （术后 6～12 周）	无痛下关节运动范围 完全恢复 步态恢复正常 恢复完全负重	主动运动下可逐步 恢复完整运动范围	逐步过渡到完全负重	去支架 自行车运动 步行运动 神经肌肉训练：膝关节下挤压、不平 稳地面行走等 小剂量激光疗法
重塑期 （术后 12～26 周）	无痛性正常步态行走 本体感觉基本恢复 开始回归工作和生活	完整运动范围	完全负重	开链运动：直腿抬高 闭链运动：改良腿部推举运动 直立自行车 抗重力跑步机 心脏耐力训练
成熟期 （术后 26 周～2 年）	回归运动 肌肉力量和本体感觉 恢复正常	完整运动范围	完全负重	加大力量训练和本体感觉训练的难度 加入特定运动相关的康复训练

3. 总结

基于移植物在体内的分化和成熟过程、损伤部位、患者自身情况、特定职业和运动要求等，康复训练也逐步个体化。目前，软骨缺损手术技术已趋于成熟，ACI 已从早期的基于 PACI 逐步改进到 MACI，但术后康复不能完全适应新的手术技术。一些康复手段，如冷疗、水疗等，大多停留在理论或者个案报道阶段，缺少高质量的随机对照试验支持。同时许多运动训练未考虑到根据移植物损伤的具体部位，并据此来调整运动的具体模式。此外，术后的负重计划、主动运动范围在多个研究中也存在差异，在不同训练阶段之间的衔接，如何界定患者可进入下一阶段康复训练等指标，均需要进一步研究。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（31741046）；中央高校基本科研业务费资助项目（2015SCU04A40）；四川省科技支撑计划项目（2017SZ0017）；四川大学华西医院“135”工程项目（ZY2017301）

National Natural Science Foundation of China (31741046); Fundamental Research Funds for the Central Universities (2015SCU04A40); Sichuan Provincial Science and Technology Support Program (2017SZ0017); “135” Project for Disciplines of Excellence of West China Hospital Sichuan University (ZY2017301)