病人显然很痛苦。医生不确定这位名叫约翰尼的中年男性是如何伤到左膝的，但他们想评估一下损伤情况。于是，他们拿起关节镜——一个安装在柔性细管上的摄像机——通过一个小切口将其插入关节。
虽然关节镜手术对于诊断和治疗膝关节损伤来说是相当常规的，但约翰尼的手术却绝非如此。那是因为约翰尼是一只猴子：匹兹堡动物园一只11岁的山魈。匹兹堡大学医学院的弗雷迪·傅说，他在六月份进行了手术，这没有先例。“我想这可能是第一次有人给猴子做膝关节镜检查。”
傅发现约翰尼的前交叉韧带（ACL）部分撕裂，前交叉韧带是一条稳定膝关节的组织带，尤其是在膝关节旋转时。傅说，前交叉韧带撕裂是体育界最常见的重大损伤之一，他估计在他30年的骨科工作中已经修复了大约5000条韧带。然而，这种膝关节损伤不仅限于职业运动员：它们可能发生在任何身体活跃的人身上，包括周末战士、高中生，以及傅发现的中年山魈。骨科行业的资料估计，仅在美国，医生每年就进行大约20万例前交叉韧带重建手术；在全球范围内，重建手术的数量可能达到50万例。
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但问题并不仅限于此。前交叉韧带撕裂——即使韧带随后得到修复——也可能为骨关节炎的发生奠定基础，骨关节炎是一种整个关节开始退化的疾病。辛辛那提儿童医院运动医学生物动力学中心主任蒂姆·休伊特说，根据一项挪威的研究，100%的前交叉韧带撕裂的女性将在20年后患上膝关节炎。
即使没有明显的损伤引发，膝关节骨关节炎也会影响6%的30岁以上成年人和12.5%的60岁以上成年人。波士顿大学医学院专门研究骨关节炎的风湿病学家大卫·费尔森说：“这是一种非常常见的疾病。每个人都有风险。” 而且治疗通常涉及用假体装置完全替换膝关节，但不幸的是，假体装置也会随着时间的推移而磨损。
鉴于这些统计数据，生物工程师和骨科医生正在努力提出新的方法和材料，以生物方式修复磨损的韧带和其他关节成分，以便40岁、50岁甚至60岁的人可以延迟或避免用金属或陶瓷假体替换膝盖。在临床和实验室中，这些研究人员正在探索有希望的方法来缓解疼痛、恢复运动并鼓励受损的关节自我愈合。
损伤的解剖结构
身体的每个关节都容易受到损伤，但膝关节是研究最多的，这可能是因为它经常受伤且易于诊断，瑞典隆德大学医院专门研究骨关节炎的整形外科医生斯特凡·洛曼德说。膝关节损伤导致大部分人口一瘸一拐地去看医生，抱怨疼痛和关节活动能力下降——洛曼德指出，这些问题会使四处走动、购物、见朋友和参与生活变得困难。
前交叉韧带不是膝关节中唯一可能在压力下崩溃的结构。少数人会折断后交叉韧带，该韧带在关节中心与前交叉韧带交叉（因此得名交叉韧带，即交叉形状）。另一个容易磨损的结构是关节软骨，它像一层厚厚的油漆一样覆盖着股骨（大腿骨）和胫骨（小腿骨）的末端。这种光滑的材料（想想鸡腿末端白色的物质）不仅减少了关节活动部件之间的摩擦（允许骨骼相互滑动），而且还起到缓冲作用，均匀分配每一步产生的负荷。失去这种软骨，骨头就会相互摩擦。膝盖的额外减震来自半月板，半月板是位于股骨和胫骨之间的一个垫圈状软骨楔形结构。这种结构——实际上是一对结构，一个在膝盖的外侧一半，一个在内侧一半——也可能因受伤而受损或撕裂。当半月板受损时，其下方的关节软骨可能会开始磨损；这种损伤的结合可能会为骨关节炎铺平道路，并伴有相关的炎症和疼痛。
任何涉及身体接触、跳跃、落地、旋转或之字形移动的运动都会增加运动员受伤和患骨关节炎的风险，特别是当运动员在受损的关节愈合之前就重返比赛时。最危险的是那些踢足球、橄榄球、打篮球或网球以及进行体操的人。
女性特别容易撕裂前交叉韧带[见第65页的方框]。美国疾病控制与预防中心的运动训练师和流行病学家詹妮弗·胡特曼说，女子体操的前交叉韧带损伤率与男子春季橄榄球的损伤率一样高，春季橄榄球是指大学球队训练和进行对抗赛的时候。休伊特说，在挪威，该国经常在女子手球比赛中捧回奖杯，大约有五分之一的女子手球运动员会撕裂前交叉韧带。
给我一个移植组织！
傅说，对于撕裂的前交叉韧带，治疗通常包括尝试以某种方式将膝盖重新连接在一起。在20世纪50年代，外科医生试图将撕裂的前交叉韧带的末端缝合在一起。波士顿儿童医院运动医学研究实验室负责人玛莎·穆雷说，不幸的是，效果不太好。缝合前交叉韧带的患者最终会发现他们的膝盖像修复前一样不稳定，容易弯曲。
当然，并不是所有前交叉韧带撕裂的人都需要手术。傅说，如果你的活动量不大，如果你的生活方式只是游泳和散步，而不进行需要急剧改变方向的活动（比如篮球或网球），你可能可以在没有手术的情况下生活。这些人可能只需进行物理康复来加强腿部肌肉并帮助稳定关节就可以过上正常的生活。
当然，同种异体移植组织不是凭空出现的。虽然它们不需要像移植器官那样进行配型，但移植肌腱必须健康强壮，因此它们往往来自18至35岁之间的捐赠者。缺乏合适的移植组织有时可能会将手术推迟数周或数月。为了解决这些问题，旧金山的整形外科医生凯文·斯通正在求助于猪。他说，猪的韧带与人类的韧带相似，而且我们每次都能得到年轻、健康和强壮的韧带。他和他的同事开发了一种方法，可以去除猪组织中会引发排斥反应的蛋白质，并已证明移植组织对人类使用是安全的。在他们的初步安全性研究中，有一名患者后来三次赢得了加拿大高山滑雪大师赛的冠军。
更长、更好的手术？
但傅认为，目前的方法只完成了一半的工作，因为人类的前交叉韧带实际上是由两个束组成的：一个在膝盖弯曲时稳定膝盖；另一个在膝盖旋转时稳定膝盖。为了恢复正常的解剖结构和活动范围，傅说外科医生需要将A连接到A，将B连接到B。
然而，说服他的同事们一直是一场艰难的战斗，部分原因是双束替换需要更长的时间才能完成。傅指出：“15年前，我可以在30分钟内完成前交叉韧带手术：砰、砰、砰，没问题。但回顾过去，我发现我以前在进行双束手术之前所做的事情非常粗糙。”
奇怪的是，傅对人类膝盖功能的好奇心促使他给山魈约翰尼做手术。傅正在探究猴子的膝盖，以了解动物前交叉韧带的解剖结构和活动能力，他希望这些信息能够帮助外科医生认识到，韧带的不同部分具有不同的用途，而且所有部分都需要恢复，关节才能正常运转。事实证明，约翰尼的前交叉韧带有三束，这使他的膝盖具有更大的旋转能力，傅认为当猴子伸手去够树枝上的成熟水果或躲避更大的猴子时，这可能会派上用场。
进入生物反应器
穆雷说，前交叉韧带一旦撕裂，就无法自发修复，部分原因是韧带残端的细胞没有结构可以爬入以构建新的韧带。因此，一些研究人员正在尝试寻找能够弥合这种差距的材料，使前交叉韧带能够再生。穆雷将赌注押在了称为血小板的血细胞上。她已经生产出一种富含血小板的凝胶，她将其挤入撕裂的前交叉韧带缝合后留下的空间中。该混合物形成血块，从而促进疤痕组织的形成，这与血小板帮助愈合皮肤伤口的方式相同。穆雷在2007年1月发表在《骨科研究杂志》上的一项猪的实验中报告说，愈合效果良好：在四周时，修复的韧带已恢复了完整前交叉韧带40%到50%的强度。愈合过程后期的初步结果显示，血管长入了新组织，细胞正在分裂并产生胶原蛋白，胶原蛋白是韧带的主要成分之一。
考虑到患者的情况，结果尤其令人鼓舞。穆雷说，猪在几天内感觉良好，可以起来走动并站在修复的部位上。然而，尽管没有休息和拐杖，猪的韧带似乎也能愈合。这使我们对临床试验充满希望，在临床试验中，我们可以更好地控制患者，结果会更好。尽管对于我的一些青少年患者，我不确定我真的有多少控制权。
马萨诸塞州梅德福市Serica Technologies公司的总裁兼首席执行官格雷格·奥特曼正在采取类似的方法，利用人体自身的自然修复能力来修复受损的膝盖。在山羊的研究中，奥特曼和他的同事们并没有将松散的末端缝合在一起，而是完全切除受损的前交叉韧带，并用丝绸制成的支架取而代之。这种材料足够坚固，可以支持新韧带的生长，研究人员已经对纤维进行了处理，使其在一段时间后在体内降解，并在其位置留下新的强韧的前交叉韧带。奥特曼的研究结果（在2007年7月举行的美国运动医学骨科学会年会上公布）看起来不错：前交叉韧带再生，修复后的关节稳定，并且在12个月后，研究人员没有看到关节炎的迹象。奥特曼说：“我们观察到一个非常平静、完整的关节。”他正在欧洲启动一项临床研究，以测试移植组织在患者中的安全性和有效性。
最重要的是，丝绸移植组织不需要特殊的储存或冷藏，因此外科医生应该能够测量患者的关节大小，然后直接从货架上取下一个替代品。奥特曼说，在丝绸支架的开发过程中，避免从患者自身的膝盖上获取移植组织是一个重要的考虑因素，他在塔夫茨大学四年级时作为一名进攻线锋撕裂了自己的前交叉韧带，并接受了来自髌腱的移植组织来代替。他回忆说：“我的前交叉韧带还不错，但我的髌腱要了我的命。” 这次经历促使奥特曼进入研究生院——最初是为了能踢第五年的足球，也是为了帮助其他人更好地从前交叉韧带损伤中恢复过来。
膝盖上的绿茶
据洛曼德说，像奥特曼这样前交叉韧带撕裂的运动员，患骨关节炎的几率可能比普通人群高出10倍。但他们并不是唯一的高危人群。关节炎往往有家族遗传倾向，因此基因起着一定作用。肥胖甚至衰老本身也是患病因素。目前，还没有治疗方法能够治愈这种疾病。“我们有止痛药和抗炎药等药物来缓解症状，”洛曼德说。“但一旦骨关节炎开始发展，就没有什么能真正阻止或减缓它的发展。”
不幸的是，随着疾病的进展，损伤会加剧，许多骨关节炎患者最终会进行膝关节置换手术。爱荷华大学医院和诊所的骨科外科医生和研究员约瑟夫·巴克沃尔特说，这种替代手术可以缓解疼痛并恢复活动能力，使其成为医学史上最成功的手术之一。但这种方法也有其缺点，包括植入物会随着时间的推移而磨损，就像汽车轮胎在行驶时或鞋子在行走时会磨损一样，洛曼德说。
虽然假体在不断改进——目前的设备可以使用20年或更长时间，并且印第安纳州华沙的骨科制造商Zimmer最近推出了一款专门为女性设计的假体膝关节——但研究人员仍在不断寻找更生物友好的方法来使患有关节炎的关节恢复活力。巴克沃尔特和他的同事发现，随着年龄的增长，维持膝关节关节软骨的细胞开始衰竭。然后软骨会变弱，这使得膝关节更容易受到损伤和机械故障的影响。巴克沃尔特说，在实验室中用抗氧化剂（包括纯化的绿茶提取物）处理分离的软骨条，似乎可以使这些疲惫的细胞复苏，并防止或最大限度地减少对关节的机械损伤。
超越坑洼
虽然整个膝关节可以被替换，但仅靠合成材料无法修复受损的软骨。斯通说，膝关节每年正常行走会经历两到三百万步，并承受高达五倍的体重，具体取决于步高。“没有已知的人造材料可以放入关节中，而不会损坏另一侧或迅速磨损。”
因此，外科医生设计了各种技术，使用患者自身的一些组织来修复小面积的软骨损伤——由膝盖受到撞击或其他局部损伤引起的切口、撕裂或孔洞。最常见的方法是采集患者的一块软骨，并将其送往商业实验室，在培养皿中繁殖软骨细胞，并将扩增的材料运回给外科医生，然后外科医生用它来修复膝关节损伤——有点像填补坑洼，杜克大学医学中心的生物工程师法希德·吉拉克说。
吉拉克正在通过开发干细胞来修复更大范围的受损软骨，干细胞具有产生其他类型组织的新细胞的能力。他使用的干细胞是一种多功能品种，从抽脂脂肪中采集。他和他的同事将这些干细胞铺展在专门设计的编织聚酯支架上。然后，他们用生长因子浸泡这种布满细胞的材料，诱导细胞产生软骨。到目前为止，细胞看起来可以胜任这项工作；吉拉克和他的实验室正准备在山羊的髋关节中测试这种支架。
与此同时，巴克沃尔特和其他人继续致力于成像技术，这将使他们能够识别软骨的分子变化，这些变化可能预示着即将到来的恶化。费尔森承认，目前尚不清楚这些工具是否能帮助外科医生预防骨关节炎或其他可能发生在那些高危人群身上的潜在问题。
至于狒狒约翰尼，傅医生能够移除一些导致患者不适的疤痕组织和炎症——这就是他目前打算做的事情。“我认为世界上没有人重建过猴子的前交叉韧带，”傅医生说。“我不认为我知道如何去做。”与此同时，这名患者情况良好，享受着额外的布丁和香蕉。