大段骨缺損修復(fù)治療研究進(jìn)展

王海波，楊新明，趙御森

（1.河北北方學(xué)院研究生部，河北 張家口075000；2.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院骨科，河北 張家口075000）

由于外傷、感染、腫瘤切除或先天性疾病等原因造成的骨質(zhì)缺失，形成較大的間隙，稱為骨缺損，是臨床常見的病癥，其中尤以大段骨缺損的修復(fù)治療較為困難。目前修復(fù)大段骨缺損的方法很多如自體骨移植、異體骨移植、人工骨移植、組織工程骨、引導(dǎo)性骨再生、轉(zhuǎn)基因工程[1]等?，F(xiàn)就目前常用的修復(fù)方法及研究現(xiàn)狀綜述如下。

1 大段骨缺損的概念

Schmitz等[2]提出臨界骨缺損的概念，長骨骨缺損的長度有一個(gè)臨界值，臨界骨缺損的長度是依據(jù)長骨直徑的大小來決定的，當(dāng)缺損長度達(dá)到長骨直徑的1.5倍時(shí)即可認(rèn)為是臨界骨缺損即大段骨缺損。小于該值的骨缺損機(jī)體可以自行愈合，大于該值的骨缺損無法自行愈合，據(jù)此不少學(xué)者將此定義應(yīng)用于動(dòng)物模型[3]。

2 主要修復(fù)技術(shù)

2.1 自體骨移植

自體骨移植是臨床常用修復(fù)骨缺損的方法，而且相對(duì)其它方法成功率也較高。與其他骨移植方法相比，自體骨與擬修復(fù)缺損部位的骨性支架相同，而且組織相容性好、無免疫排斥反應(yīng)，自體骨還保留了自身的成骨細(xì)胞、細(xì)胞因子等活性物質(zhì)，骨誘導(dǎo)活性高，成骨能力強(qiáng)，成骨迅速，綜合以上優(yōu)點(diǎn)自體骨仍是目前臨床最常用的治療骨缺損的材料。游離自體骨移植由于沒有血供，其愈合主要依靠受區(qū)血供重建后受區(qū)骨（端）向植骨有選擇，有方向性的長入，即 “爬行替代”過程及移植骨自身誘導(dǎo)成骨的 “同步取代”過程來完成，愈合緩慢，對(duì)較小的骨缺損修復(fù)效果較好。但在修復(fù)大段骨缺損時(shí)，大段的骨移植物其中央部位因?yàn)檠\(yùn)差而成為死骨，只有表面可見膜內(nèi)或軟骨內(nèi)成骨，完全吸收，再塑型困難，肢體的功能難以快速恢復(fù)。在臨床上應(yīng)用較多的帶血供的自體骨移植是帶蒂腓骨移位修復(fù)脛骨中上段及股骨下段廣泛瘤樣病變或良性骨腫瘤行長段截骨術(shù)后的骨缺損，該方法效果良好，肢體功能恢復(fù)滿意[4]。隨著顯微外科技術(shù)的不斷發(fā)展完善，使吻合血管的骨移植被廣泛應(yīng)用，移植骨有血供豐富，愈合能力強(qiáng)，功能恢復(fù)快等特點(diǎn)，王新衛(wèi)等[5]應(yīng)用顯微外科技術(shù)吻合血管游離腓骨移植修復(fù)67例脛骨慢性骨髓炎合并長段骨缺損8～22cm取得了良好的效果。但自體骨移植也存在一定的缺點(diǎn)，如增加了手術(shù)創(chuàng)傷和手術(shù)時(shí)間，取骨量有限，并且會(huì)在供區(qū)造成新的骨缺損，移植骨的形態(tài)、大小等方面不容易滿足要求，而且取骨區(qū)有傷口感染、疼痛等并發(fā)癥發(fā)生。

2.2 異體骨移植

異體骨移植不但供骨量大，而且不會(huì)造成機(jī)體的二次創(chuàng)傷。在修復(fù)大段骨缺損的方面，異體骨移植同樣也存在著新骨替代緩慢，生物力學(xué)性狀差的問題。異體骨移植還存在著免疫排異的問題，為了使異體移植骨的抗原性降低，人們使用了很多的理化方法，如凍干、煮沸、脫鈣、輻照等，經(jīng)過上述處理降低了異體骨的抗原性，但同時(shí)也降低了異體骨的強(qiáng)度及骨誘導(dǎo)性，移植術(shù)后骨折愈合可能相對(duì)較慢。

2.3 人工骨移植

理想的骨移植材料應(yīng)該具有良好的骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性及生物相容性，而且其結(jié)構(gòu)要與骨組織近似易被機(jī)體吸收?；谝陨蠗l件，人們通過各種方法提取或仿制骨的有效成分用于骨缺損修復(fù)。目前應(yīng)用的人工骨材料主要包括：生物陶瓷、骨水泥、組織化人工骨等。人工骨移植材料來源廣泛，制備容易，還可以滿足移植骨的形態(tài)、大小等方面的要求，有較好的生物相容性，使用方便。但它也有明顯的缺點(diǎn)如：由于人工骨本身沒有成骨細(xì)胞及細(xì)胞因子等激活物所以它不具備骨誘導(dǎo)性；人工骨吸收及降解較緩慢，有時(shí)會(huì)影響新骨的形成。

2.4 組織工程骨

1995年Crane GM[6]提出了骨組織工程的概念，骨組織工程是將種子細(xì)胞在體外培養(yǎng)增殖后種植于人工或天然合成的支架上，并與相關(guān)誘導(dǎo)因子復(fù)合，然后移植于體內(nèi)，達(dá)到修復(fù)骨缺損的目的。組織工程骨由種子細(xì)胞、生物支架和生長因子三部分構(gòu)建組成，利用組織工程學(xué)原理與方法再生的骨組織植入體內(nèi)無免疫排斥，且來源充足，其優(yōu)勢已得到廣泛認(rèn)同[7]。制備出的人工骨可按需要形狀大量制備，是理想的骨修復(fù)材料，所以組織工程骨被認(rèn)為是目前治療骨缺損的理想方法。

2.4.1 種子細(xì)胞 種子細(xì)胞是組織工程研究中的基本環(huán)節(jié)[8]，骨組織工程的種子細(xì)胞應(yīng)滿足以下要求：①具有向成骨細(xì)胞分化的潛能；②取材容易，對(duì)機(jī)體損傷?。虎垡子诜蛛x培養(yǎng)，在體外培養(yǎng)時(shí)增殖能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，培養(yǎng)時(shí)衰減率低，經(jīng)連續(xù)傳代仍能保持成骨潛能，修復(fù)能力強(qiáng)，生物毒性低，組織相容性好，免疫活性低，致瘤性低；④植入機(jī)體后能夠適應(yīng)受區(qū)的生理、病理、應(yīng)力等微環(huán)境并保持成骨活性。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、脂肪源性干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、骨膜細(xì)胞等都具有較強(qiáng)的成骨效應(yīng)，都可作為種子細(xì)胞的來源。其中骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是中胚層發(fā)育的早期細(xì)胞，是存在于骨髓中非造血干細(xì)胞的一種干細(xì)胞，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有多向分化潛能的細(xì)胞，在特定的誘導(dǎo)條件下可分化為多種間充質(zhì)細(xì)胞，如肝細(xì)胞、成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、肌肉細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞等。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是目前骨組織工程最主要的種子細(xì)胞來源[9]，具有較好的臨床應(yīng)用前景。

2.4.2 支架材料 骨組織工程研究的中心環(huán)節(jié)是尋求能夠作為細(xì)胞移植與引導(dǎo)新骨生長的支架結(jié)構(gòu)[8]，良好的支架材料應(yīng)具有以下條件：①具有良好的組織相容性及降解性，降解速率與骨組織再生速率相同；②具有三維立體結(jié)構(gòu)，能提供細(xì)胞生長和黏附的空間；③具有可塑性和一定的機(jī)械強(qiáng)度易于塑形，可加工成各種形狀和結(jié)構(gòu)，移植后能保持原形狀；④具有負(fù)荷最大量細(xì)胞的高滲透性，良好的材料－細(xì)胞界面，可與其他活性分子BMP、TGF－β等復(fù)合，共同誘導(dǎo)骨的發(fā)生[10]。目前，在骨組織工程研究中應(yīng)用的支架材料主要包括二類：一類是無機(jī)材料，包括以磷酸鈣為主的陶瓷或骨水泥，以硫酸鈣為主的生物玻璃。另一類是有機(jī)材料，包括天然的材料如珊瑚、膠原、脫鈣骨基質(zhì)，以及能降解的合成聚合物如聚乳酸、聚羥基乙酸。

2.4.3 生長因子 在成骨過程中多種細(xì)胞因子具有重要的調(diào)節(jié)作用，它們可以誘導(dǎo)成骨、促進(jìn)膠原合成和細(xì)胞增殖、促進(jìn)成骨和血管生長?，F(xiàn)主要研究的細(xì)胞因子有血小板衍生生長因子、胰島素樣生長因子、堿性成纖維細(xì)胞生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子、血管內(nèi)皮生長因子、骨形成蛋白（BMP）等，其中以BMP為代表，BMP能夠促進(jìn)未分化的間充質(zhì)細(xì)胞和成骨細(xì)胞的前體細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞，具有高效的骨誘導(dǎo)能力。

以上介紹的是經(jīng)典意義上的組織工程骨，此外國外學(xué)者將紅骨髓和生成因子復(fù)合即時(shí)植入用于促進(jìn)骨折愈合已經(jīng)獲得滿意效果。由于不需體外培養(yǎng)過程，只要在抽取紅骨髓后與支架及生成因子復(fù)合并立即植入，被稱為 “非細(xì)胞型組織工程化骨”。非細(xì)胞型組織工程化骨省略了分離和體外培養(yǎng)細(xì)胞的步驟和費(fèi)用，防止了相關(guān)污染、細(xì)胞性狀改變及倫理學(xué)問題等，是現(xiàn)階段較為可行的將骨組織工程學(xué)成果應(yīng)用于臨床的簡化方法[11，12]。目前骨組織工程的研究其中最關(guān)鍵的問題就是組織工程骨的血管化問題，如果不能使組織工程骨血管化，種子細(xì)胞就會(huì)過早凋亡，難以大段骨缺損。

2.5 引導(dǎo)性骨再生

Nyman[13]于1982年將屏障膜技術(shù)應(yīng)用于牙周治療，提出了引導(dǎo)性組織再生（guided tissue regeneration，GTR）的概念。Buser[14]等在GTR理論基礎(chǔ)上提出了引導(dǎo)性骨再生（guided bone regeneration，GBR）的概念。骨折愈合是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，要求各種細(xì)胞的活化、遷移、分化成熟，成骨的過程少受外界干擾，局部的營養(yǎng)供給、細(xì)胞向成骨方向分化和外骨痂形成是骨折愈合過程中的關(guān)鍵因素。引導(dǎo)性骨再生是引導(dǎo)性組織再生技術(shù)在骨科治療學(xué)中的一個(gè)延伸，其機(jī)理是：在骨再生過程中成骨細(xì)胞與成纖維細(xì)胞存在競爭抑制現(xiàn)象，利用膜材料封閉骨缺損區(qū)或預(yù)計(jì)成骨的空間，形成機(jī)械屏障控制周圍組織長入。此技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)：①為骨細(xì)胞的生長提供一個(gè)引導(dǎo)空間，保證骨細(xì)胞在骨缺損區(qū)的生長；②促進(jìn)內(nèi)源性生長因子在骨缺損區(qū)不斷濃集，促進(jìn)成骨細(xì)胞的生長；③膜本身應(yīng)該具有一定孔隙，允許各種營養(yǎng)物質(zhì)及組織液的自由交換及轉(zhuǎn)運(yùn)。膜可以作為一種通道，促進(jìn)毛細(xì)血管、骨生成細(xì)胞等在其表面黏附和爬行。GBR技術(shù)的關(guān)鍵是引導(dǎo)膜的選擇和膜下成骨空間的維持。GBR要求引導(dǎo)膜具有以下特性：①具有良好的生物相容性，不引起機(jī)體排斥反應(yīng)；②有良好的機(jī)械屏障及空間保護(hù)作用；③無毒性及免疫原性，穩(wěn)定性好，不與組織發(fā)生反應(yīng)；④通透性良好，允許營養(yǎng)物質(zhì)和組織液通過，可阻止結(jié)締組織細(xì)胞和上皮細(xì)胞通過；⑤臨床可操作性好，易于覆蓋骨缺損區(qū)；⑥能夠創(chuàng)造并維持空間至少4～6周。膜材料現(xiàn)主要分為3類：第一類，非降解性膜，缺點(diǎn)需二次手術(shù)取出，如肽膜、硅膠膜、聚四氟乙烯膜等；第二類是可降解性膜，降解周期一般在半年左右，保證骨再生的足夠時(shí)間，主要有膠原膜、聚乳酸膜等，缺點(diǎn)缺乏血運(yùn)，種子細(xì)胞易凋亡，骨再生時(shí)間長；第三類是取自自身組織膜如骨膜、帶蒂筋膜瓣。米坤龍[15]等利用自體骨膜復(fù)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植修復(fù)兔關(guān)節(jié)軟骨缺損，取得一些進(jìn)展。但骨膜移植因單純的骨膜無支撐作用，易受周圍組織擠壓塌陷，可供大片移植的骨膜也很有限，臨床應(yīng)用受到限制。楊新明[16]等將成年新西蘭大白兔雙側(cè)橈骨造骨缺損模型，左側(cè)僅植入骨誘導(dǎo)活性材料復(fù)合物為對(duì)照組，右側(cè)使用帶蒂筋膜瓣包裹為實(shí)驗(yàn)組，在骨缺損鄰近部位利用顯微外科技術(shù)制備一個(gè)帶有無名血管蒂所屬毛細(xì)血管網(wǎng)的筋膜瓣，使其包裹非細(xì)胞型組織工程骨并充填骨缺損。于術(shù)后4，8，12，16周進(jìn)行X射線檢查和吸光度比測量、大體觀察和組織學(xué)檢查、修復(fù)區(qū)內(nèi)骨形態(tài)計(jì)量分析和交界區(qū)血管圖像分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：實(shí)驗(yàn)組正常骨干結(jié)構(gòu)形成，骨髓腔完全再通，植入物已吸收降解，完全由新骨替代，成熟骨結(jié)構(gòu)形成，骨髓腔再通，骨小梁的體積明顯多于對(duì)照組，各時(shí)間段單位面積內(nèi)血管再生面積均大于對(duì)照組。以上實(shí)驗(yàn)說明以帶蒂筋膜瓣為膜材料應(yīng)用膜引導(dǎo)性骨再生技術(shù)修復(fù)大段骨缺損，能有效的限制骨缺損周圍纖維結(jié)方面締組織長入，帶蒂筋膜瓣具有膜誘導(dǎo)骨再生和血管化雙重作用，在縮短骨缺損修復(fù)時(shí)間，提高成骨的質(zhì)和量方面有顯著療效，極大地加快了移植骨轉(zhuǎn)化為自體骨的速度及效果。

2.6 轉(zhuǎn)基因工程

轉(zhuǎn)基因工程是利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)把具有成骨作用的基因引入種子細(xì)胞，然后再將這些細(xì)胞與支架材料移植到骨缺損處，由此獲得持續(xù)分泌骨生長因子的能力，加速骨形成及修復(fù)。BMP基因是目前應(yīng)用于骨缺損基因治療中最多的基因?；虔煼ǚ譃轶w外途徑和體內(nèi)途徑兩種，體外途徑是從組織中分離靶細(xì)胞，進(jìn)行體外培養(yǎng)，將基因在體外轉(zhuǎn)染后，再將細(xì)胞回植入體內(nèi)；體內(nèi)途徑是直接將含有目的基因的病毒表達(dá)載體或質(zhì)粒注射到骨缺損的局部，通過轉(zhuǎn)染鄰近多種類型的細(xì)胞而發(fā)揮作用[17]。

3 展 望

目前治療大段骨缺損的許多新技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)階段，還需要進(jìn)行大量的臨床實(shí)驗(yàn)研究，才能應(yīng)用于臨床，在這些新技術(shù)中轉(zhuǎn)基因技術(shù)與骨組織工程是目前研究的熱點(diǎn)。隨著各種新技術(shù)新材料的研究，將支架材料、種子細(xì)胞和激活物三者完美結(jié)合，可以為今后大段骨缺損的治療修復(fù)提供更好的方法。

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