骨移植理論與骨生長(zhǎng)因子
骨移植理論與骨生長(zhǎng)因子
胡蘊(yùn)玉 李丹
一、骨移植
移植骨可發(fā)揮3種生理作用：（1）誘導(dǎo)成骨作用，即通過募集具有成骨潛能的細(xì)胞在局部誘導(dǎo)新骨形成。（2）骨傳導(dǎo)作用，指移植骨作為支架引導(dǎo)來(lái)自受骨床的新生毛細(xì)血管、血管周圍組織和骨原細(xì)胞長(zhǎng)入移植骨，繼之新骨沉積于其表面及周圍。（3）移植骨是骨形成細(xì)胞的來(lái)源，特別是新鮮自體骨。各種植骨方法在不同程度上體現(xiàn)了其中一種或數(shù)種作用。骨移植依其材料來(lái)源可分為自體骨、同種異體骨、異種骨和人工骨。自體骨因兼有骨誘導(dǎo)活性和骨傳導(dǎo)作用，且攜有具成骨作用之骨髓細(xì)胞，成骨效果最好，故目前仍奉為“金標(biāo)準(zhǔn)”。但自體骨來(lái)源有限，且取骨增加患者痛苦，尤不適用于兒童和老人。同種異體骨來(lái)源也有限，如檢疫不嚴(yán)還有傳播肝炎和艾滋病的危險(xiǎn)。異種骨移植近年受到重視，如有報(bào)道Kiel骨復(fù)合自體紅骨髓移植取得滿意效果，國(guó)內(nèi)研制的重組合異種骨為異種骨的臨床應(yīng)用開辟了新的前
景。人工骨特別是生物陶瓷類在骨科的應(yīng)用受到矚目，但單純?nèi)斯す侵踩胫荒芷鹬Ъ茏饔茫o(wú)誘導(dǎo)成骨活性。
1、自體骨移植
臨床上自體骨多采自髂骨、脛骨和腓骨，分別提供松質(zhì)骨、皮質(zhì)骨和全骨。（1）非血管化自體移植骨因缺乏血供，大多數(shù)細(xì)胞死亡，僅表面0.1～0.3mm范圍的少數(shù)細(xì)胞依賴受區(qū)組織液的彌散得以存活。移植骨內(nèi)的骨原細(xì)胞主要來(lái)自骨膜和骨髓，故松質(zhì)骨之成骨能力大于皮質(zhì)骨。松質(zhì)骨血運(yùn)重建較快，早期以成骨活動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，死骨逐漸進(jìn)行內(nèi)部改建，被破骨細(xì)胞吸收，繼之新骨內(nèi)有紅骨髓聚集，移植骨于是完全被新骨取代。松質(zhì)骨常用于對(duì)移植骨強(qiáng)度無(wú)特殊要求時(shí)，可采取松質(zhì)骨碎骨、全厚松質(zhì)骨、髂骨外板和包括兩側(cè)骨皮質(zhì)的髂嵴長(zhǎng)條。常用的植骨方法有：外周薄片植骨、嵌入植骨、骨腔內(nèi)充填骨和脊柱融合植骨術(shù)等。皮質(zhì)骨血運(yùn)重建較晚，早期有活躍的破骨活動(dòng)，破骨活動(dòng)和成骨活動(dòng)交替進(jìn)行，逐漸完成移植骨的修復(fù)。皮質(zhì)骨適于提供功能性支持，脛骨、腓骨、股骨、橈骨和肋骨均可供骨，一般在脛骨內(nèi)側(cè)面取骨。常用的植骨方法有單側(cè)上蓋植骨術(shù)、雙側(cè)上蓋植骨術(shù)、鋼板加單側(cè)上蓋植骨術(shù)、嵌入植骨術(shù)和骨釘植骨術(shù)。全骨移植骨通常取腓骨的中1/3段或上1/
2段，用于修復(fù)兒童長(zhǎng)骨如尺、橈骨缺損。（2）血管化自體移植骨因帶有自身的血供系統(tǒng)，不會(huì)發(fā)生骨壞死和吸收，只須與受區(qū)骨發(fā)生愈合，其修復(fù)過程類似新鮮骨折，無(wú)須經(jīng)過爬行替代。移植骨血供可來(lái)自肌蒂或吻合血管。行帶肌蒂骨瓣移植時(shí)，保留移植骨的肌肉附著部及骨膜，移植骨通過肌蒂滋養(yǎng)血管或知名血管供血。常用的有股方肌蒂骨瓣、縫匠肌股直肌蒂骨瓣移植術(shù)、帶肌蒂腓骨段轉(zhuǎn)移術(shù)和帶肌蒂皮質(zhì)骨片移植術(shù)。帶血管自體骨移植適用于受骨床瘢痕多、局部循環(huán)差或常規(guī)植骨不易愈合時(shí)。帶血管復(fù)合骨肌皮瓣移植可對(duì)皮膚、肌肉和骨復(fù)合缺損一次進(jìn)行修復(fù)。常用方法有帶血管髂骨游離移植、帶血管腓骨游離移植和帶血管肋骨游離移植，所用血管須有足夠的長(zhǎng)度和管徑，起源及位置較恒定。
2、同種異體骨移植
與自體骨移植相比，同種骨材料來(lái)源較多，且因其具有天然結(jié)構(gòu)、形狀和強(qiáng)度，有一定的誘導(dǎo)活性，在骨移植中有其不可替代的地位。但同種骨移植如檢疫不嚴(yán)有傳播肝炎、艾滋病等疾病的危險(xiǎn)。此外據(jù)報(bào)道，對(duì)人工關(guān)節(jié)置換術(shù)中切除的1146個(gè)股骨頭進(jìn)行病理檢查，發(fā)現(xiàn)91例除骨關(guān)節(jié)炎外還有其它病變，包括軟骨鈣質(zhì)沉著、缺血性壞死、骨瘤、惡性腫瘤、骨代謝疾病和炎癥性關(guān)節(jié)炎，故建議凡進(jìn)入骨庫(kù)的異體骨材料均須經(jīng)過組織學(xué)檢查。
同種骨特別是新鮮同種骨，常引起免疫排斥反應(yīng)，導(dǎo)致移植骨吸收而失敗。此種免疫反應(yīng)以活性淋巴細(xì)胞和細(xì)胞毒性抗體的產(chǎn)生為特征，細(xì)胞膜表面的糖蛋白是引起免疫反應(yīng)的主要抗原成分，后者受主要組織相容性復(fù)合體（MHC）控制表達(dá)。受體對(duì)同種骨移植的免疫反應(yīng)以細(xì)胞免疫為主，體液免疫不直接參與，但多數(shù)情況下受體循環(huán)中出現(xiàn)針對(duì)移植骨的特異性抗體。出現(xiàn)排異時(shí)干擾素和腫瘤壞死因子含量會(huì)增高，推測(cè)其在排異反應(yīng)中可能起一定作用。為消除或減弱同種骨的抗原性，常采用各種物理、化學(xué)方法進(jìn)行處理，常用且證明效果較好的方法有：（1）冷凍法：在-20～-196℃保存2w以上，可多少減弱其抗原性；（2）冷凍干燥法：冷凍至-85℃，在真空狀態(tài)使水分升華干燥，其抗原性低于冷凍骨，且可在室溫下長(zhǎng)期保存；（3）脫鈣法：多行部分脫鈣處理，因其具有良好誘導(dǎo)成骨活性，并保有一定的機(jī)械強(qiáng)度。大段同種骨關(guān)節(jié)移植物可采用深低溫或冷凍干燥法保存，冷凍前須用10%甘油等冷凍保護(hù)劑浸洗，盡可能保存軟骨細(xì)胞。
冷凍、凍干和脫鈣同種骨均已應(yīng)用于臨床。主要用于骨腔充填、骨段移植術(shù)、關(guān)節(jié)融合術(shù)和假體重建術(shù)等方面。脫鈣骨經(jīng)化學(xué)滅菌、提取抗原和自溶消化處理，消除了可溶性同種抗原，植入后骨形成比新鮮骨、凍干全骨或60鈷輻照滅菌的凍干骨更多。
3、異種骨移植
動(dòng)物骨來(lái)源廣，避免了自體骨取骨可能引起的并發(fā)癥，也無(wú)同種異體骨可能傳播人類疾病的危險(xiǎn)。但未經(jīng)處理的異種骨移植后必然引起排斥反應(yīng)，導(dǎo)致手術(shù)失敗，是近百年來(lái)異種骨移植面臨的主要難題。參與異種骨移植免疫反應(yīng)的因素，包括特異性細(xì)胞免疫和體液免疫。曾采用冷凍、凍干和脫鈣法處理異種骨，以消除其抗原性，均因效果不佳而不再使用。還曾使用各種脫蛋白骨，如Kiel骨、Oswestry骨和Bio-Oss骨，雖然抗原性極弱，但也喪失了誘導(dǎo)成骨活性而僅能起被動(dòng)的骨傳導(dǎo)和保護(hù)性支架作用。經(jīng)如此處理的異種骨多以復(fù)合形式應(yīng)用，如將Kiel骨復(fù)合自體紅骨髓治療包括假關(guān)節(jié)、良性骨腫瘤和創(chuàng)傷性骨缺損等多種傷病和關(guān)節(jié)融合術(shù)，療效滿意。但自體紅骨髓來(lái)源有限，這種復(fù)合異種骨未能在臨床推廣應(yīng)用。如何消除異種骨的抗原性同時(shí)保留其誘導(dǎo)成骨能力，是異種骨應(yīng)用于臨床必須解決的問題。國(guó)內(nèi)胡蘊(yùn)玉等研制的“重組合異種骨”，突破了異種骨處理的傳統(tǒng)觀念，對(duì)異種骨的抗原性和誘導(dǎo)成骨活性分別進(jìn)行處理，即從異種皮質(zhì)骨中提取BMP，將異種松質(zhì)骨制成無(wú)抗原載體，然后將二者重新組合。小牛松質(zhì)骨載體經(jīng)脫脂、部分脫蛋白、表面脫鈣和凍干等一系列處理，基本消除了抗原性，并保持了天然多孔結(jié)構(gòu)，復(fù)合BMP后具有高效誘骨活性。小鼠肌袋模型實(shí)驗(yàn)表明，僅含0.5mg BMP的重組合異種骨，異位植入14d即有骨組織形成，28d后誘導(dǎo)產(chǎn)生成熟的骨組織。將其植入15mm兔橈骨缺損，4w后有新生
骨軟骨形成，16w缺損完全修復(fù)。臨床上重組合異種骨用于治療骨不連、骨缺損和難愈性骨折，療效好，移植骨多在2～6個(gè)月愈合，無(wú)明顯排斥反應(yīng)。
4、人工骨
許多人工骨材料已被應(yīng)用于骨重建，復(fù)合有成骨潛能的細(xì)胞或生長(zhǎng)因子后效果較好，但其植入后的長(zhǎng)期可靠性是一個(gè)問題。人工骨材料須能滿足以下基本要求：（1）具有良好的生物相容性；（2）具有一定的機(jī)械穩(wěn)定性；（3）有微孔結(jié)構(gòu)，使新生骨組織得以長(zhǎng)入；（4）其吸收速度與新骨生長(zhǎng)速度大致保持同步；（5）易于加工成所需大小和形狀。生物陶瓷和可降解高分子生物材料是目前常用的兩大類人工骨材料。
生物陶瓷作為植入物能滿足人工骨的一般要求，其優(yōu)點(diǎn)是生物相容性好，缺點(diǎn)是機(jī)械性能較差，硬而脆，易斷裂。根據(jù)植入物與受體骨組織界面所發(fā)生組織反應(yīng)的類型，可將生物陶瓷分為4型：（1）近乎惰性的晶體生物陶瓷：無(wú)生物活性，植入后與骨組織之間形成纖維膜，易松動(dòng)脫落。臨床上得到廣泛應(yīng)用的是氧化鋁，可用作人工髖關(guān)節(jié)假體部件。（2）多孔陶瓷：包括多孔多晶氧化鋁和羥基磷灰石（HA）涂層的金屬，其特點(diǎn)為呈生物惰性，但在骨組織長(zhǎng)入其孔隙時(shí)卻形成高度迂曲的界面，從而提供了機(jī)械穩(wěn)定性。（3）表面活性
陶瓷：包括生物活性玻璃（bioglass）、玻璃陶瓷（glass-ceramics）和羥基磷灰石，其化學(xué)組成與人體骨組織相近，可借助化學(xué)鍵直接與骨結(jié)合，即具有生物活性。近年研制出一種稱為ceravital的玻璃陶瓷，與骨結(jié)合性能甚好，已成功地應(yīng)用于脊柱外科和制造人工骨盆。HA陶瓷多與其它材料復(fù)合使用，如HA與自體骨、自體紅骨髓、膠原、BMP、同種異體骨（脫鈣骨基質(zhì)或去抗原自溶脫鈣同種骨）、煅石膏、聚合物和氧化鋁陶瓷等復(fù)合，可克服HA缺乏骨誘導(dǎo)性和顆粒性材料成形困難的缺點(diǎn)。HA植入后不吸收。（4）可吸收的陶瓷：在宿主體內(nèi)逐漸吸收而被形成的新骨替代，以磷酸三鈣（TCP）為其代表。TCP之生物學(xué)特性與HA大致相同，其優(yōu)于HA之處為植入后在體內(nèi)緩慢降解吸收。現(xiàn)多用TCP作為載體復(fù)合各種生物活性因子使用，如TCP復(fù)合BMP，可發(fā)揮骨傳導(dǎo)與骨誘導(dǎo)之雙重作用。
可降解高分子生物材料生物相容性較好，可降解，且具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，主要有聚乳酸（PLA）和聚乙醇酸（PGA），植入體內(nèi)可作為支架起骨傳導(dǎo)作用。但此二種材料降解后有酸性代謝產(chǎn)物積聚，特別是聚乳酸，可在體內(nèi)形成無(wú)菌性竇道。利用此種材料較理想的降解速度，用以作為載體與具強(qiáng)誘導(dǎo)成骨能力的生長(zhǎng)因子結(jié)合制成復(fù)合材料，比其它人工骨具有更多優(yōu)點(diǎn)。
二、骨生長(zhǎng)因子
生長(zhǎng)因子能促進(jìn)細(xì)胞增殖、分化和細(xì)胞外基質(zhì)合成，對(duì)骨折修復(fù)的啟動(dòng)、發(fā)展、調(diào)控及改建起重要作用。鑒于此，應(yīng)用生長(zhǎng)因子試圖促進(jìn)骨折愈合就是很自然的了，而生長(zhǎng)因子動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用結(jié)果也表明，生長(zhǎng)因子用于骨折延遲連接或骨不連的治療確有良好效果。雖然有許多生長(zhǎng)因子參與調(diào)節(jié)骨折愈合，但目前只對(duì)少數(shù)幾種的作用有所了解，其中研究較多的是骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein, BMP)、β轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子（transforming growth factor β，TGF-β）、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（fibroblast growth factor, FGF)胰島素樣生長(zhǎng)因子（insulin-like growth factor，IGF）和血小板衍生生長(zhǎng)因子（platelet-derived growth factor,PDGF)。這幾種因子由炎癥細(xì)胞、成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞合成，在骨折愈合的整個(gè)期間均有表達(dá)。
1. BMP
由動(dòng)物骨提取的天然BMP是幾種不同分子量蛋白質(zhì)的混合物，其臨床應(yīng)用在80年代末就有報(bào)道。Urist首先將BMP用于難愈性骨不連的治療。其后Johnson等將高度濃縮的人BMP（內(nèi)含BMP-2、BMP-4和OP-1）復(fù)合非膠原蛋白和去抗原異體骨植入骨折部位，治療28例骨不連與骨缺損，其中26例（93%）一次治愈，2例經(jīng)再次手術(shù)植入BMP也治愈。另一組4
7例脛骨和股骨不連接，植入天然BMP后均達(dá)到骨愈合。國(guó)內(nèi)用天然牛BMP復(fù)合去抗原牛松質(zhì)骨制成“重組合異種骨”，治療骨不連和骨缺損，效果也很好。天然BMP產(chǎn)量畢竟有限，應(yīng)用重組DNA技術(shù)生產(chǎn)的BMP(如rhBMP)與天然提取物相比，具有產(chǎn)量大、純度高的優(yōu)點(diǎn)，為廣泛應(yīng)用于臨床提供了實(shí)際可能。現(xiàn)已從牛骨分離出7種BMP，并已用重組DNA技術(shù)表達(dá)了相應(yīng)的人BMP，其中BMP-2和BMP-7(成骨蛋白-1,OP-1)研究較為透徹，已有關(guān)于臨床應(yīng)用的報(bào)道。
