Design of subtalar joint fusion plate and its application
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摘要:目的
设计一种带有距下关节加压融合功能的新型跟骨接骨板，评价其应用于SandersⅣ型跟骨骨折的临床疗效。
方法使用自行设计的距下关节融合板对50例需要一期融合距下关节的SandersⅣ型跟骨骨折患者进行内固定治疗，观察患者术前、术后和末次随访时的Bolher角、Gissane角以评估跟骨解剖形态，并采用美国足踝外科协会(AOFAS)踝-后足评分评估术后功能。
结果50例患者均顺利完成手术，手术时间37~72 min, 平均(48.04±9.32) min, 术中出血量90~140 mL, 平均(106.00±12.04) mL, 术中均无重要神经、血管损伤; 50例患者均获得随访，随访时间12~21个月，平均(16.36±2.24)个月; 50例患者末次随访时均达到骨性愈合，骨性愈合时间为8~14周，平均(9.52±1.25)周。术后、末次随访时，患者Bolher角、Gissane角均大于术前，差异有统计学意义(P < 0.001); 患者术后Bolher角、Gissane角与末次随访时比较，差异无统计学意义(P=0.372、0.140)。末次随访时，患者平均AOFAS踝-后足评分为(83.78±5.61)分，优9足(90~100分)、良39足(75~ < 90分)、可2足(50~ < 75分)，优良率为96.00%; 3例患者术后出现切口皮缘坏死，经过多次换药后切口愈合。
结论距下关节融合板设计合理，可以提供坚强、牢固的固定，术中骨折复位满意，手术操作简单，是治疗需要一期融合距下关节的SandersⅣ型跟骨骨折的理想内固定材料。
Abstract:ObjectiveTo design a new calcaneal plate with function of subtalar joint compression fusion, and to evaluate its clinical effect for Sanders type Ⅳ calcaneal fracture.
MethodsA total of 50 cases with Sanders type Ⅳ calcaneal fracture requiring primary subtalar joint fusion were treated with internal fixation using a self-designed subtalar joint fusion plate. The anatomical morphology of the calcaneus was evaluated by observing Bolher Angle and Gissane Angle before operation, after operation and at the last follow-up, and the postoperative function was evaluated by the American Association of Foot and Ankle Surgery (AOFAS) ankle-posterior foot score.
ResultsAll 50 patients completed operations successfully, the operation time was from 37 to 72 min, with an average of (48.04±9.32) min, intraoperative bleeding volume was from 90 to 140 mL, with an average of (106.00±12.04) mL. There was no significant nerve and vascular injury during operation. All 50 patients were followed up, with follow-up time of 12 to 21 months and an average of (16.36±2.24) months. Bone healing was achieved at the last follow-up in all 50 patients, and the healing time was 8 to 14 weeks, with an average of (9.52±1.25) weeks. The postoperative and final follow-up Bolher angles were significantly larger compared with that before surgery (P < 0.001), while there were no statistically significant differences in Bolher angle and Gissane angle between postoperative and final follow-up (P=0.372, 0.140). AOFAS score at the last follow-up was (83.78±5.61), including 9 feet with excellent rating (score of 90 to 100), 39 feet with fine rating (score of 75 to less than 90), and 2 feet with good rating(score of 50 to less than 75), with an excellent and good rate of 96.00%. Postoperative skin edge necrosis occurred in 3 patients, and wound healed after multiple dressing changes.
ConclusionThe subtalar joint fusion plate is reasonable in designand can provide ]strong and firm fixation, with satisfactory intraoperative fracture reductionand simple operation. It is an ideal internal fixation material for Sanders type Ⅳ calcaneal fracture requiring primary subtalar joint fusion.
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Keywords:
- calcaneal fracture /
- subtalar joint /
- joint fusion /
- innovative type /
- calcaneal locking plate
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阿尔茨海默病(AD)是一种以β-淀粉样蛋白沉积和微管相关蛋白tau异常为特征的进行性神经退行性疾病，临床上表现为记忆和认知功能障碍、语言和行为能力缺失，患者后期表现出严重的失忆症和运动功能减弱，最终导致死亡[1]。尽管AD的特征性病理改变已明确，但靶向这些病理蛋白的药物疗效欠佳，因此进一步筛查有效靶点非常必要。本研究基于生物信息学分析筛选影响AD发生的核心基因和相关信号通路，现报告如下。
阿尔茨海默病(AD)是一种以β-淀粉样蛋白沉积和微管相关蛋白tau异常为特征的进行性神经退行性疾病，临床上表现为记忆和认知功能障碍、语言和行为能力缺失，患者后期表现出严重的失忆症和运动功能减弱，最终导致死亡[1]。尽管AD的特征性病理改变已明确，但靶向这些病理蛋白的药物疗效欠佳，因此进一步筛查有效靶点非常必要。本研究基于生物信息学分析筛选影响AD发生的核心基因和相关信号通路，现报告如下。
1. 数据与方法
1. 数据与方法
1.1 数据来源
以“Alzheimer′s disease”为关键词搜索基因表达综合(GEO)数据库，并下载GSE227221[2]和GSE162873[3]这2个RNA-seq原始数据集。其中, GSE227221数据集包含217个AD组织样本和226个对照神经组织样本, GSE162873数据集则包含8个AD组织样本。所有样本均从原始资料库下载，且病理资料完整。
1.1 数据来源
以“Alzheimer′s disease”为关键词搜索基因表达综合(GEO)数据库，并下载GSE227221[2]和GSE162873[3]这2个RNA-seq原始数据集。其中, GSE227221数据集包含217个AD组织样本和226个对照神经组织样本, GSE162873数据集则包含8个AD组织样本。所有样本均从原始资料库下载，且病理资料完整。
1.2 生物信息学分析方法
1.2 生物信息学分析方法
1.2.1 差异表达基因(DEGs)的筛选与分析
将GSE227221和GSE162873数据集导入GEO2R在线分析软件(该软件为交互式在线工具，能够比较2组或多组GEO序列数据，明确实验条件下哪些基因发生了显著变化)中，筛选出AD组织样本和正常脑组织样本之间的DEGs, 筛选标准为log2(FC)>1(FC为差异倍数)和P＜0.05。
1.2.1 差异表达基因(DEGs)的筛选与分析
将GSE227221和GSE162873数据集导入GEO2R在线分析软件(该软件为交互式在线工具，能够比较2组或多组GEO序列数据，明确实验条件下哪些基因发生了显著变化)中，筛选出AD组织样本和正常脑组织样本之间的DEGs, 筛选标准为log2(FC)>1(FC为差异倍数)和P＜0.05。
1.2.2 DEGs的疾病本体论(DO)、基因本体论(GO)和京都基因与基因组百科全书(KEGG)富集分析
使用R软件DOSE包对DEGs进行DO基因富集分析。利用在线数据分析工具DAVID对筛选后的DEGs进行GO功能分析，包括生物学过程、细胞成分和分子功能共3个方面的内容，这有助于理解这些DEGs的生物学功能及其在细胞中的定位。利用在线分析工具DAVID进行KEGG通路富集分析，明确这些DEGs在生物学过程中的角色及其参与的生物学通路。分析结果以柱状图和气泡图形式展示, P＜0.05表示差异有统计学意义。
1.2.2 DEGs的疾病本体论(DO)、基因本体论(GO)和京都基因与基因组百科全书(KEGG)富集分析
使用R软件DOSE包对DEGs进行DO基因富集分析。利用在线数据分析工具DAVID对筛选后的DEGs进行GO功能分析，包括生物学过程、细胞成分和分子功能共3个方面的内容，这有助于理解这些DEGs的生物学功能及其在细胞中的定位。利用在线分析工具DAVID进行KEGG通路富集分析，明确这些DEGs在生物学过程中的角色及其参与的生物学通路。分析结果以柱状图和气泡图形式展示, P＜0.05表示差异有统计学意义。
1.2.3 枢纽基因的筛选与分析
将筛选出的DEGs导入STRING在线数据库，进行蛋白质交互作用分析。STRING数据库提供了蛋白质之间已知和预测的相互作用信息，这些信息来源于共轭、实验室测试、共表达以及文献记录。本研究利用Cytoscape(版本3.7.2)软件构建蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络。通过MCODE插件进行枢纽基因筛选，设置参数为关联程度阈值(Degree Cutoff)=2, 节点评分阈值(Node Score Cutoff)=0.2, 最小核心阈值(K-Core)=2, 最大深度(Max Depth)=100。这些参数有助于确定网络内高度相互连接的区域。
1.2.3 枢纽基因的筛选与分析
将筛选出的DEGs导入STRING在线数据库，进行蛋白质交互作用分析。STRING数据库提供了蛋白质之间已知和预测的相互作用信息，这些信息来源于共轭、实验室测试、共表达以及文献记录。本研究利用Cytoscape(版本3.7.2)软件构建蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络。通过MCODE插件进行枢纽基因筛选，设置参数为关联程度阈值(Degree Cutoff)=2, 节点评分阈值(Node Score Cutoff)=0.2, 最小核心阈值(K-Core)=2, 最大深度(Max Depth)=100。这些参数有助于确定网络内高度相互连接的区域。
1.2.4 核心基因的筛选
根据MCODE评分，对枢纽基因进一步分析并筛选出核心基因。筛选条件为MCODE评分>10, 且评分由高到低排序。选取排名前6位的基因作为核心基因，推测其可能在AD的发生、进展及细胞凋亡过程中发挥关键作用。
1.2.4 核心基因的筛选
根据MCODE评分，对枢纽基因进一步分析并筛选出核心基因。筛选条件为MCODE评分>10, 且评分由高到低排序。选取排名前6位的基因作为核心基因，推测其可能在AD的发生、进展及细胞凋亡过程中发挥关键作用。
2. 结果
2. 结果
2.1 DEGs的筛选与分析
本研究从GSE227221和GSE162873数据集中共筛选出9 705个相关基因，其中GSE227221数据集筛选出7 293个相关基因, GSE162873数据集筛选出3 785个相关基因。将这2个数据集筛选出的基因取交集，共筛选出1 373个DEGs, 这些基因具有相同变化趋势，见图 1。
2.1 DEGs的筛选与分析
本研究从GSE227221和GSE162873数据集中共筛选出9 705个相关基因，其中GSE227221数据集筛选出7 293个相关基因, GSE162873数据集筛选出3 785个相关基因。将这2个数据集筛选出的基因取交集，共筛选出1 373个DEGs, 这些基因具有相同变化趋势，见图 1。
2.2 DO基因富集分析、GO基因富集分析和KEGG通路富集分析结果
DO基因富集分析结果显示，这些DEGs与系统性红斑狼疮、红斑狼疮和动脉硬化这3种疾病最为相关，见图 2。GO功能富集分析结果显示，这些DEGs主要富集于3条信号通路，即经典Wnt信号通路、磷脂酶C-活化G蛋白质-耦合受体通路和等离子体外侧膜通路，见图 3。KEGG信号通路富集分析结果显示，这些DEGs主要富集于以下通路，包括细胞因子-细胞因子受体相互作用、神经元活性配体-受体相互作用、癌症相关的转录失调，见图 4。
2.2 DO基因富集分析、GO基因富集分析和KEGG通路富集分析结果
DO基因富集分析结果显示，这些DEGs与系统性红斑狼疮、红斑狼疮和动脉硬化这3种疾病最为相关，见图 2。GO功能富集分析结果显示，这些DEGs主要富集于3条信号通路，即经典Wnt信号通路、磷脂酶C-活化G蛋白质-耦合受体通路和等离子体外侧膜通路，见图 3。KEGG信号通路富集分析结果显示，这些DEGs主要富集于以下通路，包括细胞因子-细胞因子受体相互作用、神经元活性配体-受体相互作用、癌症相关的转录失调，见图 4。
2.3 枢纽基因的筛选与分析
将DEGs导入STRING数据库，并利用Cytoscape软件构建PPI网络，该网络包含114个节点蛋白和76条边，见图 5。采用MCODE插件分析并挖掘网络中与AD诊断相关的基因，筛选出显著的相互作用模块，称为枢纽基因。本研究筛选出的枢纽基因网络包含61条边及20个节点蛋白，进一步筛选出的共同枢纽基因为 GIMAP1、GIMAP4、GIMAP5、GIMAP6、GIMAP7 及 GIMAP1-GIMAP5 。
2.3 枢纽基因的筛选与分析
将DEGs导入STRING数据库，并利用Cytoscape软件构建PPI网络，该网络包含114个节点蛋白和76条边，见图 5。采用MCODE插件分析并挖掘网络中与AD诊断相关的基因，筛选出显著的相互作用模块，称为枢纽基因。本研究筛选出的枢纽基因网络包含61条边及20个节点蛋白，进一步筛选出的共同枢纽基因为 GIMAP1、GIMAP4、GIMAP5、GIMAP6、GIMAP7 及 GIMAP1-GIMAP5 。
2.4 核心基因的筛选
应用Cytoscape软件中的MCODE插件，筛选条件设定为MCODE评分>10, 并按评分由高至低排序，选取前6个基因作为本研究的核心基因，即 GIMAP1、GIMAP4、GIMAP5、GIMAP6、GIMAP7 及 GIMAP1-GIMAP5 , 见图 6。
2.4 核心基因的筛选
应用Cytoscape软件中的MCODE插件，筛选条件设定为MCODE评分>10, 并按评分由高至低排序，选取前6个基因作为本研究的核心基因，即 GIMAP1、GIMAP4、GIMAP5、GIMAP6、GIMAP7 及 GIMAP1-GIMAP5 , 见图 6。
3. 讨论
痴呆是一种以记忆力、语言能力、执行能力和空间视觉能力进行性下降为特征的临床综合征，最终可导致个性和行为改变，丧失生活自理能力。目前, AD是痴呆的主要病因(占60%~80%)[4]，这一现象部分归因于人口老龄化。据估计，全球范围内AD每年影响超过5 000万老年人，同时间接影响数千万AD患者配偶的生活，造成沉重的家庭负担和社会负担[5]。AD的发病机制尚未完全阐明。一小部分AD患者发病与3个基因的显性突变有关，分别为淀粉样前体蛋白(APP)、早老素1(PSEN1)和早老素2(PSEN2), 这些患者通常在65岁前发病[6]。大多数患者呈现散发趋势，发病年龄超过65岁。尽管AD没有明显的遗传性，但已有证据支持存在多种遗传风险因素，例如载脂蛋白E的E4等位基因存在于约16%的AD患者中。针对β-淀粉样蛋白开发的药物仅能缓解症状[7], 因此寻找新的治疗靶点至关重要。
本研究基于生物信息学分析对2个数据集的基因进行比对，共筛选出参与AD发生和进展的1 373个相同趋势的DEGs, 并筛选验证出核心基因GIMAP。人GIMAP基因全称GTP酶免疫相关蛋白，定位于第7号染色体，大小约为500 kb，包含7个功能性基因(GIMAP1、GIMAP2、GIMAP4、GIMAP5、GIMAP6、GIMAP7、GIMAP8)和1个假基因[8]。该基因此前被称为免疫相关核苷酸结合蛋白(IANs), 是一种小的GTP结合分子，具有共同的“AIG”GTP结合域，存在于高等植物和多细胞动物[9]。哺乳动物GIMAP基因(小鼠存在8个亚型，人类存在7个亚型[10])紧密聚集在一个单染色体位置上，这些基因优先表达于造血细胞和淋巴细胞，但近年来有研究[10]提示这些基因亦可表达于非血液细胞。本研究生物信息学分析也发现, GIMAP5 基因在AD神经组织中异常表达，提示AD与血液细胞或免疫细胞之间可能存在某种联系。
早在上世纪50年代，人们就观察到免疫功能异常与痴呆之间可能存在某种联系。1953年, GROSCH H[11]报道1名9岁女孩在接种咳嗽疫苗后，出现皮质下痴呆伴运动功能障碍。然而，随后的70年间，学者们并未发现痴呆或AD与免疫功能之间的确切关联。虽然免疫细胞对神经细胞有吞噬现象，可能对神经细胞造成免疫损伤[12-13]，但并未发现这种损伤与AD病理改变如神经纤维缠结及Tau蛋白异常之间的直接联系。
GIMAP蛋白与GTPase在氨基末端序列相似，均包含鸟嘌呤核苷酸结合域[14-15]。这些蛋白大多参与了淋巴细胞的维持与发展。在小鼠模型中, GIMAP5的缺陷导致外周T细胞、B细胞和自然杀伤细胞(NK细胞)的数量减少[16-17]。GIMAP1对T细胞增殖的维持和B细胞功能的成熟至关重要[18-19]。GIMAP4可能促进T细胞的凋亡[20]。敲除GIMAP6使得Jurkat细胞系对凋亡诱导剂变得敏感[21]。鉴于GIMAP基因家族对维持免疫细胞功能的重要性[22], GIMAP基因的异常会导致免疫细胞功能障碍，从而减少免疫细胞对老化及异常神经元的清除和吞噬，增加痴呆或AD的发病风险。
本研究对筛选出的DEGs进行3种类型的富集分析，包括DO基因富集分析、GO功能富集分析和KEGG信号通路富集分析。DO基因富集分析结果显示，这些DEGs主要富集于系统性红斑狼疮、红斑狼疮和动脉硬化这3种疾病，而这3种疾病均与免疫功能异常有关[23-25]。系统性红斑狼疮和红斑狼疮均为自身免疫性疾病，与免疫功能异常关系密切，尽管动脉硬化与免疫功能异常无直接关系，但近年来的研究显示免疫功能异常参与动脉硬化的病理过程。GO功能富集分析结果显示, DEGs主要富集于经典Wnt信号通路、磷脂酶C-活化G蛋白质-耦合受体通路和等离子体外侧膜通路。值得注意的是，这3条信号通路均与GIMAP基因有关，存在一定的调控关系。KEGG信号通路富集分析结果显示，排名前3位的疾病通路分别为细胞因子-细胞因子受体相互作用、神经元活性配体-受体相互作用、癌症相关的转录失调。由此提示, AD与GIMAP基因及这些通路之间存在某种联系。
综上所述, GIMAP基因是AD发病的核心基因，其可能处于AD其他病理改变的上游。鉴于GIMAP基因与免疫功能维持的紧密关系，本研究推测AD是一种由免疫功能紊乱导致的疾病。
3. 讨论
痴呆是一种以记忆力、语言能力、执行能力和空间视觉能力进行性下降为特征的临床综合征，最终可导致个性和行为改变，丧失生活自理能力。目前, AD是痴呆的主要病因(占60%~80%)[4]，这一现象部分归因于人口老龄化。据估计，全球范围内AD每年影响超过5 000万老年人，同时间接影响数千万AD患者配偶的生活，造成沉重的家庭负担和社会负担[5]。AD的发病机制尚未完全阐明。一小部分AD患者发病与3个基因的显性突变有关，分别为淀粉样前体蛋白(APP)、早老素1(PSEN1)和早老素2(PSEN2), 这些患者通常在65岁前发病[6]。大多数患者呈现散发趋势，发病年龄超过65岁。尽管AD没有明显的遗传性，但已有证据支持存在多种遗传风险因素，例如载脂蛋白E的E4等位基因存在于约16%的AD患者中。针对β-淀粉样蛋白开发的药物仅能缓解症状[7], 因此寻找新的治疗靶点至关重要。
本研究基于生物信息学分析对2个数据集的基因进行比对，共筛选出参与AD发生和进展的1 373个相同趋势的DEGs, 并筛选验证出核心基因GIMAP。人GIMAP基因全称GTP酶免疫相关蛋白，定位于第7号染色体，大小约为500 kb，包含7个功能性基因(GIMAP1、GIMAP2、GIMAP4、GIMAP5、GIMAP6、GIMAP7、GIMAP8)和1个假基因[8]。该基因此前被称为免疫相关核苷酸结合蛋白(IANs), 是一种小的GTP结合分子，具有共同的“AIG”GTP结合域，存在于高等植物和多细胞动物[9]。哺乳动物GIMAP基因(小鼠存在8个亚型，人类存在7个亚型[10])紧密聚集在一个单染色体位置上，这些基因优先表达于造血细胞和淋巴细胞，但近年来有研究[10]提示这些基因亦可表达于非血液细胞。本研究生物信息学分析也发现, GIMAP5 基因在AD神经组织中异常表达，提示AD与血液细胞或免疫细胞之间可能存在某种联系。
早在上世纪50年代，人们就观察到免疫功能异常与痴呆之间可能存在某种联系。1953年, GROSCH H[11]报道1名9岁女孩在接种咳嗽疫苗后，出现皮质下痴呆伴运动功能障碍。然而，随后的70年间，学者们并未发现痴呆或AD与免疫功能之间的确切关联。虽然免疫细胞对神经细胞有吞噬现象，可能对神经细胞造成免疫损伤[12-13]，但并未发现这种损伤与AD病理改变如神经纤维缠结及Tau蛋白异常之间的直接联系。
GIMAP蛋白与GTPase在氨基末端序列相似，均包含鸟嘌呤核苷酸结合域[14-15]。这些蛋白大多参与了淋巴细胞的维持与发展。在小鼠模型中, GIMAP5的缺陷导致外周T细胞、B细胞和自然杀伤细胞(NK细胞)的数量减少[16-17]。GIMAP1对T细胞增殖的维持和B细胞功能的成熟至关重要[18-19]。GIMAP4可能促进T细胞的凋亡[20]。敲除GIMAP6使得Jurkat细胞系对凋亡诱导剂变得敏感[21]。鉴于GIMAP基因家族对维持免疫细胞功能的重要性[22], GIMAP基因的异常会导致免疫细胞功能障碍，从而减少免疫细胞对老化及异常神经元的清除和吞噬，增加痴呆或AD的发病风险。
本研究对筛选出的DEGs进行3种类型的富集分析，包括DO基因富集分析、GO功能富集分析和KEGG信号通路富集分析。DO基因富集分析结果显示，这些DEGs主要富集于系统性红斑狼疮、红斑狼疮和动脉硬化这3种疾病，而这3种疾病均与免疫功能异常有关[23-25]。系统性红斑狼疮和红斑狼疮均为自身免疫性疾病，与免疫功能异常关系密切，尽管动脉硬化与免疫功能异常无直接关系，但近年来的研究显示免疫功能异常参与动脉硬化的病理过程。GO功能富集分析结果显示, DEGs主要富集于经典Wnt信号通路、磷脂酶C-活化G蛋白质-耦合受体通路和等离子体外侧膜通路。值得注意的是，这3条信号通路均与GIMAP基因有关，存在一定的调控关系。KEGG信号通路富集分析结果显示，排名前3位的疾病通路分别为细胞因子-细胞因子受体相互作用、神经元活性配体-受体相互作用、癌症相关的转录失调。由此提示, AD与GIMAP基因及这些通路之间存在某种联系。
综上所述, GIMAP基因是AD发病的核心基因，其可能处于AD其他病理改变的上游。鉴于GIMAP基因与免疫功能维持的紧密关系，本研究推测AD是一种由免疫功能紊乱导致的疾病。
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图 2 典型病例的影像学检查结果及手术过程图
A: 术前右足CT横断位图像; B: 术前右足CT冠状位图像; C: 术前右足CT矢状位图像; D: 术中通过锁定孔固定跟骨; E: 术中通过加压融合孔打入2枚克氏针定位; F: 术中沿克氏针拧入2枚半螺纹空心螺钉，加压融合距下关节; G: 末次随访时跟骨侧位片; H: 末次随访时跟骨轴位片。
表 1 150例患者不同时点影像学指标比较(x±s)
° 指标 术前 术后 末次随访 Bolher角 12.57±2.24 31.99±4.19* 32.17±3.54*** Gissane角 88.46±6.46 129.49±5.92* 129.85±5.44*** 与术前比较, * * * P < 0.001。 
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