病人顯然很痛苦。醫生不確定這位名叫約翰尼的中年男性是如何傷到左膝的，但他們想評估一下損傷情況。於是，他們拿起關節鏡——一個安裝在柔性細管上的攝像機——透過一個小切口將其插入關節。
雖然關節鏡手術對於診斷和治療膝關節損傷來說是相當常規的，但約翰尼的手術卻絕非如此。那是因為約翰尼是一隻猴子：匹茲堡動物園一隻11歲的山魈。匹茲堡大學醫學院的弗雷迪·傅說，他在六月份進行了手術，這沒有先例。“我想這可能是第一次有人給猴子做膝關節鏡檢查。”
傅發現約翰尼的前交叉韌帶（ACL）部分撕裂，前交叉韌帶是一條穩定膝關節的組織帶，尤其是在膝關節旋轉時。傅說，前交叉韌帶撕裂是體育界最常見的重大損傷之一，他估計在他30年的骨科工作中已經修復了大約5000條韌帶。然而，這種膝關節損傷不僅限於職業運動員：它們可能發生在任何身體活躍的人身上，包括週末戰士、高中生，以及傅發現的中年山魈。骨科行業的資料估計，僅在美國，醫生每年就進行大約20萬例前交叉韌帶重建手術；在全球範圍內，重建手術的數量可能達到50萬例。
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但問題並不僅限於此。前交叉韌帶撕裂——即使韌帶隨後得到修復——也可能為骨關節炎的發生奠定基礎，骨關節炎是一種整個關節開始退化的疾病。辛辛那提兒童醫院運動醫學生物動力學中心主任蒂姆·休伊特說，根據一項挪威的研究，100%的前交叉韌帶撕裂的女性將在20年後患上膝關節炎。
即使沒有明顯的損傷引發，膝關節骨關節炎也會影響6%的30歲以上成年人和12.5%的60歲以上成年人。波士頓大學醫學院專門研究骨關節炎的風溼病學家大衛·費爾森說：“這是一種非常常見的疾病。每個人都有風險。” 而且治療通常涉及用假體裝置完全替換膝關節，但不幸的是，假體裝置也會隨著時間的推移而磨損。
鑑於這些統計資料，生物工程師和骨科醫生正在努力提出新的方法和材料，以生物方式修復磨損的韌帶和其他關節成分，以便40歲、50歲甚至60歲的人可以延遲或避免用金屬或陶瓷假體替換膝蓋。在臨床和實驗室中，這些研究人員正在探索有希望的方法來緩解疼痛、恢復運動並鼓勵受損的關節自我癒合。
損傷的解剖結構
身體的每個關節都容易受到損傷，但膝關節是研究最多的，這可能是因為它經常受傷且易於診斷，瑞典隆德大學醫院專門研究骨關節炎的整形外科醫生斯特凡·洛曼德說。膝關節損傷導致大部分人口一瘸一拐地去看醫生，抱怨疼痛和關節活動能力下降——洛曼德指出，這些問題會使四處走動、購物、見朋友和參與生活變得困難。
前交叉韌帶不是膝關節中唯一可能在壓力下崩潰的結構。少數人會折斷後交叉韌帶，該韌帶在關節中心與前交叉韌帶交叉（因此得名交叉韌帶，即交叉形狀）。另一個容易磨損的結構是關節軟骨，它像一層厚厚的油漆一樣覆蓋著股骨（大腿骨）和脛骨（小腿骨）的末端。這種光滑的材料（想想雞腿末端白色的物質）不僅減少了關節活動部件之間的摩擦（允許骨骼相互滑動），而且還起到緩衝作用，均勻分配每一步產生的負荷。失去這種軟骨，骨頭就會相互摩擦。膝蓋的額外減震來自半月板，半月板是位於股骨和脛骨之間的一個墊圈狀軟骨楔形結構。這種結構——實際上是一對結構，一個在膝蓋的外側一半，一個在內側一半——也可能因受傷而受損或撕裂。當半月板受損時，其下方的關節軟骨可能會開始磨損；這種損傷的結合可能會為骨關節炎鋪平道路，並伴有相關的炎症和疼痛。
任何涉及身體接觸、跳躍、落地、旋轉或之字形移動的運動都會增加運動員受傷和患骨關節炎的風險，特別是當運動員在受損的關節癒合之前就重返比賽時。最危險的是那些踢足球、橄欖球、打籃球或網球以及進行體操的人。
女性特別容易撕裂前交叉韌帶[見第65頁的方框]。美國疾病控制與預防中心的運動訓練師和流行病學家詹妮弗·胡特曼說，女子體操的前交叉韌帶損傷率與男子春季橄欖球的損傷率一樣高，春季橄欖球是指大學球隊訓練和進行對抗賽的時候。休伊特說，在挪威，該國經常在女子手球比賽中捧回獎盃，大約有五分之一的女子手球運動員會撕裂前交叉韌帶。
給我一個移植組織！
傅說，對於撕裂的前交叉韌帶，治療通常包括嘗試以某種方式將膝蓋重新連線在一起。在20世紀50年代，外科醫生試圖將撕裂的前交叉韌帶的末端縫合在一起。波士頓兒童醫院運動醫學研究實驗室負責人瑪莎·穆雷說，不幸的是，效果不太好。縫合前交叉韌帶的患者最終會發現他們的膝蓋像修復前一樣不穩定，容易彎曲。
當然，並不是所有前交叉韌帶撕裂的人都需要手術。傅說，如果你的活動量不大，如果你的生活方式只是游泳和散步，而不進行需要急劇改變方向的活動（比如籃球或網球），你可能可以在沒有手術的情況下生活。這些人可能只需進行物理康復來加強腿部肌肉並幫助穩定關節就可以過上正常的生活。
當然，同種異體移植組織不是憑空出現的。雖然它們不需要像移植器官那樣進行配型，但移植肌腱必須健康強壯，因此它們往往來自18至35歲之間的捐贈者。缺乏合適的移植組織有時可能會將手術推遲數週或數月。為了解決這些問題，舊金山的整形外科醫生凱文·斯通正在求助於豬。他說，豬的韌帶與人類的韌帶相似，而且我們每次都能得到年輕、健康和強壯的韌帶。他和他的同事開發了一種方法，可以去除豬組織中會引發排斥反應的蛋白質，並已證明移植組織對人類使用是安全的。在他們的初步安全性研究中，有一名患者後來三次贏得了加拿大高山滑雪大師賽的冠軍。
更長、更好的手術？
但傅認為，目前的方法只完成了一半的工作，因為人類的前交叉韌帶實際上是由兩個束組成的：一個在膝蓋彎曲時穩定膝蓋；另一個在膝蓋旋轉時穩定膝蓋。為了恢復正常的解剖結構和活動範圍，傅說外科醫生需要將A連線到A，將B連線到B。
然而，說服他的同事們一直是一場艱難的戰鬥，部分原因是雙束替換需要更長的時間才能完成。傅指出：“15年前，我可以在30分鐘內完成前交叉韌帶手術：砰、砰、砰，沒問題。但回顧過去，我發現我以前在進行雙束手術之前所做的事情非常粗糙。”
奇怪的是，傅對人類膝蓋功能的好奇心促使他給山魈約翰尼做手術。傅正在探究猴子的膝蓋，以瞭解動物前交叉韌帶的解剖結構和活動能力，他希望這些資訊能夠幫助外科醫生認識到，韌帶的不同部分具有不同的用途，而且所有部分都需要恢復，關節才能正常運轉。事實證明，約翰尼的前交叉韌帶有三束，這使他的膝蓋具有更大的旋轉能力，傅認為當猴子伸手去夠樹枝上的成熟水果或躲避更大的猴子時，這可能會派上用場。
進入生物反應器
穆雷說，前交叉韌帶一旦撕裂，就無法自發修復，部分原因是韌帶殘端的細胞沒有結構可以爬入以構建新的韌帶。因此，一些研究人員正在嘗試尋找能夠彌合這種差距的材料，使前交叉韌帶能夠再生。穆雷將賭注押在了稱為血小板的血細胞上。她已經生產出一種富含血小板的凝膠，她將其擠入撕裂的前交叉韌帶縫合後留下的空間中。該混合物形成血塊，從而促進疤痕組織的形成，這與血小板幫助癒合皮膚傷口的方式相同。穆雷在2007年1月發表在《骨科研究雜誌》上的一項豬的實驗中報告說，癒合效果良好：在四周時，修復的韌帶已恢復了完整前交叉韌帶40%到50%的強度。癒合過程後期的初步結果顯示，血管長入了新組織，細胞正在分裂併產生膠原蛋白，膠原蛋白是韌帶的主要成分之一。
考慮到患者的情況，結果尤其令人鼓舞。穆雷說，豬在幾天內感覺良好，可以起來走動並站在修復的部位上。然而，儘管沒有休息和柺杖，豬的韌帶似乎也能癒合。這使我們對臨床試驗充滿希望，在臨床試驗中，我們可以更好地控制患者，結果會更好。儘管對於我的一些青少年患者，我不確定我真的有多少控制權。
馬薩諸塞州梅德福市Serica Technologies公司的總裁兼執行長格雷格·奧特曼正在採取類似的方法，利用人體自身的自然修復能力來修復受損的膝蓋。在山羊的研究中，奧特曼和他的同事們並沒有將鬆散的末端縫合在一起，而是完全切除受損的前交叉韌帶，並用絲綢製成的支架取而代之。這種材料足夠堅固，可以支援新韌帶的生長，研究人員已經對纖維進行了處理，使其在一段時間後在體內降解，並在其位置留下新的強韌的前交叉韌帶。奧特曼的研究結果（在2007年7月舉行的美國運動醫學骨科學會年會上公佈）看起來不錯：前交叉韌帶再生，修復後的關節穩定，並且在12個月後，研究人員沒有看到關節炎的跡象。奧特曼說：“我們觀察到一個非常平靜、完整的關節。”他正在歐洲啟動一項臨床研究，以測試移植組織在患者中的安全性和有效性。
最重要的是，絲綢移植組織不需要特殊的儲存或冷藏，因此外科醫生應該能夠測量患者的關節大小，然後直接從貨架上取下一個替代品。奧特曼說，在絲綢支架的開發過程中，避免從患者自身的膝蓋上獲取移植組織是一個重要的考慮因素，他在塔夫茨大學四年級時作為一名進攻線鋒撕裂了自己的前交叉韌帶，並接受了來自髕腱的移植組織來代替。他回憶說：“我的前交叉韌帶還不錯，但我的髕腱要了我的命。” 這次經歷促使奧特曼進入研究生院——最初是為了能踢第五年的足球，也是為了幫助其他人更好地從前交叉韌帶損傷中恢復過來。
膝蓋上的綠茶
據洛曼德說，像奧特曼這樣前交叉韌帶撕裂的運動員，患骨關節炎的機率可能比普通人群高出10倍。但他們並不是唯一的高危人群。關節炎往往有家族遺傳傾向，因此基因起著一定作用。肥胖甚至衰老本身也是患病因素。目前，還沒有治療方法能夠治癒這種疾病。“我們有止痛藥和抗炎藥等藥物來緩解症狀，”洛曼德說。“但一旦骨關節炎開始發展，就沒有什麼能真正阻止或減緩它的發展。”
不幸的是，隨著疾病的進展，損傷會加劇，許多骨關節炎患者最終會進行膝關節置換手術。愛荷華大學醫院和診所的骨科外科醫生和研究員約瑟夫·巴克沃爾特說，這種替代手術可以緩解疼痛並恢復活動能力，使其成為醫學史上最成功的手術之一。但這種方法也有其缺點，包括植入物會隨著時間的推移而磨損，就像汽車輪胎在行駛時或鞋子在行走時會磨損一樣，洛曼德說。
雖然假體在不斷改進——目前的裝置可以使用20年或更長時間，並且印第安納州華沙的骨科製造商Zimmer最近推出了一款專門為女性設計的假體膝關節——但研究人員仍在不斷尋找更生物友好的方法來使患有關節炎的關節恢復活力。巴克沃爾特和他的同事發現，隨著年齡的增長，維持膝關節關節軟骨的細胞開始衰竭。然後軟骨會變弱，這使得膝關節更容易受到損傷和機械故障的影響。巴克沃爾特說，在實驗室中用抗氧化劑（包括純化的綠茶提取物）處理分離的軟骨條，似乎可以使這些疲憊的細胞復甦，並防止或最大限度地減少對關節的機械損傷。
超越坑窪
雖然整個膝關節可以被替換，但僅靠合成材料無法修復受損的軟骨。斯通說，膝關節每年正常行走會經歷兩到三百萬步，並承受高達五倍的體重，具體取決於步高。“沒有已知的人造材料可以放入關節中，而不會損壞另一側或迅速磨損。”
因此，外科醫生設計了各種技術，使用患者自身的一些組織來修復小面積的軟骨損傷——由膝蓋受到撞擊或其他區域性損傷引起的切口、撕裂或孔洞。最常見的方法是採集患者的一塊軟骨，並將其送往商業實驗室，在培養皿中繁殖軟骨細胞，並將擴增的材料運回給外科醫生，然後外科醫生用它來修復膝關節損傷——有點像填補坑窪，杜克大學醫學中心的生物工程師法希德·吉拉克說。
吉拉克正在透過開發幹細胞來修復更大範圍的受損軟骨，幹細胞具有產生其他型別組織的新細胞的能力。他使用的幹細胞是一種多功能品種，從抽脂脂肪中採集。他和他的同事將這些幹細胞鋪展在專門設計的編織聚酯支架上。然後，他們用生長因子浸泡這種佈滿細胞的材料，誘導細胞產生軟骨。到目前為止，細胞看起來可以勝任這項工作；吉拉克和他的實驗室正準備在山羊的髖關節中測試這種支架。
與此同時，巴克沃爾特和其他人繼續致力於成像技術，這將使他們能夠識別軟骨的分子變化，這些變化可能預示著即將到來的惡化。費爾森承認，目前尚不清楚這些工具是否能幫助外科醫生預防骨關節炎或其他可能發生在那些高危人群身上的潛在問題。
至於狒狒約翰尼，傅醫生能夠移除一些導致患者不適的疤痕組織和炎症——這就是他目前打算做的事情。“我認為世界上沒有人重建過猴子的前交叉韌帶，”傅醫生說。“我不認為我知道如何去做。”與此同時，這名患者情況良好，享受著額外的布丁和香蕉。