同種異體骨移植的研究進(jìn)展

邵杰　楊長偉　李明

·綜述·

同種異體骨移植的研究進(jìn)展

邵杰楊長偉李明

同種異體骨移植是目前臨床廣泛使用于治療各種骨缺損和促進(jìn)脊柱融合的方法。根據(jù)處理方式的不同，同種異體骨可以分為:新鮮異體骨、深凍骨、冷凍干燥骨（fresh frozen allograft，F(xiàn)FA）和脫鈣骨基質(zhì)（demineralized bone matrix，DBM）。同種異體骨與新鮮的自體骨的愈合機(jī)制有著本質(zhì)不同，其主要依靠“爬行替代”實(shí)現(xiàn)與宿主骨的融合，因此愈合速度慢、愈合質(zhì)量差，容易發(fā)生骨不連和移植骨骨折，故存在較高的失敗率。而復(fù)合生長因子、復(fù)合間充質(zhì)干細(xì)胞以及紅骨髓等方法可以提高異體骨愈合的速度。利用組織工程的原理與方法，采用復(fù)合移植的方法使異體骨得到活化，是今后異體骨移植研究與應(yīng)用的發(fā)展方向。

骨移植；移植，同種；骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)類；組織工程

骨移植是臨床常見的用來治療各種骨缺損和促進(jìn)脊柱融合的方法。自體骨、異體骨及各種新型生物人工骨材料是骨科常用的三大植骨材料。其中自體骨移植以其良好的骨傳導(dǎo)、骨誘導(dǎo)和骨生成作用，被普遍認(rèn)為是植骨融合的金標(biāo)準(zhǔn)［1］。但自體骨移植存在供骨量不足、手術(shù)時間延長等局限性，并常伴有供區(qū)出血、神經(jīng)損傷、疼痛和感染等并發(fā)癥［2］，使其應(yīng)用受到了限制。目前各種新型人工骨替代材料發(fā)展迅猛，組織工程技術(shù)的復(fù)合材料顯示了良好的骨組織修復(fù)的效果，但目前大多數(shù)材料仍停留在實(shí)驗階段，許多材料與自體骨的生物學(xué)和生物力學(xué)性能相比還有較大差距［3-5］。

同種異體骨移植已有百年歷史，早在1867年法國學(xué)者Ollier就進(jìn)行了異體骨移植的動物實(shí)驗研究，其后很多醫(yī)生將其應(yīng)用到了骨科手術(shù)中［6］。但由于存在受體的免疫排異、傳染病的傳播、愈合不良、無菌性松動及供體不足等問題［7］，同種異體骨移植在臨床應(yīng)用中的發(fā)展受到了限制。20世紀(jì)中后期，隨著異體骨處理和保存技術(shù)的進(jìn)步、相關(guān)管理制度的制定以及骨庫建設(shè)的發(fā)展，上述問題基本得到了解決?，F(xiàn)今同種異體骨在治療各種骨缺損和促進(jìn)脊柱融合術(shù)中得到了廣泛使用，占全球200萬例/年骨移植手術(shù)的40%［8］，是臨床使用最多的骨替代材料，成為僅次于輸血最常采用的移植術(shù)?，F(xiàn)將同種異體骨移植目前研究的進(jìn)展情況進(jìn)行綜述。

一、同種異體骨的種類

根據(jù)處理方式的不同，同種異體骨可以分為新鮮異體骨、深凍骨、冷凍干燥骨（fresh frozen allograft，F(xiàn)FA）和脫鈣骨基質(zhì)（demineralized bone matrix，DBM）等。

新鮮異體骨移植指供體取出后不經(jīng)處理直接進(jìn)行移植，其缺點(diǎn)在于容易引起受體的免疫排斥，以及增大了傳染病的傳播風(fēng)險，故在臨床手術(shù)中已經(jīng)淘汰。深凍骨是對異體骨進(jìn)行加工后，根據(jù)需要修剪成不同形狀的骨移植物，放在低溫下保存，保留了原本的力學(xué)強(qiáng)度［8］。FFA是通過分離解凍后冷凍骨內(nèi)的水分，充分脫水，將骨組織內(nèi)的水分控制在5%以下，損失了相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度，消毒滅菌后真空包裝，便于攜帶和使用［9］。深凍骨的免疫原性高于FFA，而FFA的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低于深凍骨。DBM是通過一系列化學(xué)方法對同種異體骨進(jìn)行脫鈣、去脂等處理，降低了免疫原性，保留骨形成蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）等多種成骨因子，通過這些成骨因子誘導(dǎo)成骨而發(fā)揮作用［10］。另外，經(jīng)過處理后的DBM結(jié)構(gòu)孔隙多，更容易與細(xì)胞因子結(jié)合，提高了骨傳導(dǎo)的可能性，促進(jìn)了骨質(zhì)的形成［11］。雖然DBM結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，骨的承載能力缺失，但在骨缺損的修復(fù)和填補(bǔ)中具有獨(dú)特的臨床優(yōu)勢［12］。

二、異體骨移植愈合機(jī)制

（一）同種異體骨與新鮮自體骨在移植后的融合存在本質(zhì)的區(qū)別

自體骨含有活細(xì)胞及骨誘導(dǎo)蛋白底物可以誘導(dǎo)產(chǎn)生新骨，但是經(jīng)處理后的異體骨其細(xì)胞成分多已壞死，骨誘導(dǎo)活性和生物力學(xué)性能降低，植入后的愈合主要由宿主端形成新骨，通過“爬行替代”過程逐漸整合重塑［1，13］。

爬行替代原理是指新植入的異體骨，通過為新生骨提供成骨的基質(zhì)及框架，使新生骨逐漸生長，并隨著異體骨自身分解，最終取代了植入骨的位置。異體骨密度越小，其自身降解速率也愈快。異體骨在受體中主要起到支架和誘導(dǎo)骨生長的作用。在長階段的異體骨移植中，異體骨所起到的支架作用尤為重要。

（二）異體移植骨與宿主骨的整合修復(fù)過程具有幾個獨(dú)立的重復(fù)周期

愈合過程首先由炎性反應(yīng)介導(dǎo)，然后發(fā)生宿主的血管侵入，由此導(dǎo)致可分化成為骨形成細(xì)胞的脊髓間充質(zhì)干細(xì)胞進(jìn)入，最后是以移植骨修復(fù)和重塑。對于骨皮質(zhì)與骨松質(zhì)這是不同的過程，由于多孔疏松的原因，松質(zhì)骨血管化的發(fā)生很快，通過爬行替代能夠快速地得到結(jié)合與重塑，這個過程中成骨細(xì)胞首先產(chǎn)生類骨質(zhì)于壞死骨的表面，類骨質(zhì)很快被破骨細(xì)胞移去，逐漸吸收塌陷壞死的骨小梁，并且最終替代移植骨成為新骨。和松質(zhì)骨相比，皮質(zhì)骨的血管化很少。因此，移植骨的修復(fù)從宿主-移植物界面開始，并擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)性移植骨的中部［14］。骨皮質(zhì)重塑的發(fā)生率很低，壞死的骨皮質(zhì)不能完全被新骨所取代，有限的骨形成和重塑由于骨不連或骨折而具有25%～35%的失敗率。骨折常發(fā)生于植骨后的1～ 2年，并且和壞死的皮質(zhì)骨的微小骨折的擴(kuò)展有關(guān)。

三、復(fù)合異體骨移植

單純異體骨移植整合愈合過程緩慢，隨著組織工程學(xué)、細(xì)胞分子學(xué)及基因工程學(xué)的發(fā)展，異體骨作為骨生長支架，復(fù)合各類生物材料的骨組織工程學(xué)得到發(fā)展。例如:同種異體骨支架復(fù)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞用來修復(fù)下頜骨關(guān)節(jié)的缺損［15］；同種異體骨與自體骨和DBM結(jié)合可以強(qiáng)化力學(xué)結(jié)構(gòu)，更好地修復(fù)股骨頭壞死。類似于復(fù)合自體紅骨髓的同種異體骨移植，復(fù)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的同種異體骨移植，復(fù)合細(xì)胞因子的同種異體骨移植和復(fù)合帶血管的自體骨瓣、骨膜瓣復(fù)合異體骨移植等新的復(fù)合移植技術(shù)在不斷地更新。

（一）復(fù)合骨生長因子的異體骨移植

在骨質(zhì)的愈合和重塑過程中，存在一些促進(jìn)骨生長的活性因子。而目前應(yīng)用和研究最多的是骨形成發(fā)生蛋白（BMPs）家族。該蛋白最初作為一種可誘導(dǎo)異位成骨的物質(zhì)于1965年被Urist發(fā)現(xiàn)，至今已經(jīng)過大量實(shí)驗驗證實(shí)其有強(qiáng)大、穩(wěn)定的控制成骨活性［16］。BMP能促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為成骨細(xì)胞。

雖然異體骨本身包含骨誘導(dǎo)性生長因子，但經(jīng)處理的大塊異體骨的誘導(dǎo)性能很弱［17］，眾多動物實(shí)驗研究表明應(yīng)用Ⅰ型膠原載體攜帶基因重組骨形態(tài)形成蛋白（recombinants human bone morphogenetic proteins，rhBMPs）能增加異體骨移植的整合能力［18，19］。Hood等［20］應(yīng)用復(fù)合rhBMPs的生物植骨材料治療寰樞關(guān)節(jié)不穩(wěn)，大大提高了的寰樞椎的融合率，減少了以往因自體髂骨的破壞而引發(fā)的各種并發(fā)癥，縮短了手術(shù)時間。FDA已經(jīng)批準(zhǔn)了在需要促進(jìn)骨融合的手術(shù)中使用BMP。

（二）復(fù)合間充質(zhì)干細(xì)胞的異體骨移植

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesechymal stem cell，BMSCs）是構(gòu)建組織工程骨中較為理想、應(yīng)用最為廣泛的種子細(xì)胞，因其容易獲取，并且在一定條件下可成功分化為骨、肌肉、軟骨、脂肪和纖維等組織。骨髓間充質(zhì)細(xì)胞具有很強(qiáng)的成骨潛力。Malinin等［21］在狒狒股骨遠(yuǎn)端異體半關(guān)節(jié)移植術(shù)后長時間跟蹤中注意到，植入骨在愈合時，會被大量的間充質(zhì)細(xì)胞包圍，伴隨新骨生長及新生毛細(xì)血管長入。趙謙等［22］用自體BMSCs復(fù)合異體松質(zhì)骨基質(zhì)修復(fù)兔橈骨節(jié)段性骨缺損，結(jié)果表明在成骨速度及質(zhì)量方面均優(yōu)于單純異體骨移植組。柴崗等［23］應(yīng)用自體BMSCs復(fù)合各種同種異體骨和人工支架材料構(gòu)建的組織工程骨，可彌補(bǔ)單純異體骨基質(zhì)所缺乏的骨生成作用，而異體骨基質(zhì)也為促進(jìn)細(xì)胞分化成骨提供良好的微環(huán)境。但有研究表明單純復(fù)合BMSCs并不能促進(jìn)異體骨愈合，除非經(jīng)過基因工程處理能夠表達(dá)BMP的BMCs復(fù)合移植［24，25］。復(fù)合的異體骨移植兼具了骨生成、骨傳導(dǎo)和增強(qiáng)的骨誘導(dǎo)的特點(diǎn)，加快了成骨速率，縮短了愈合時間。

目前將BMSCs復(fù)合各種植骨材料及人工框架材料構(gòu)建異體植入骨的報道很多，其基本技術(shù)已近成熟，在骨科的臨床工作中比重增多。

（三）其他復(fù)合移植

Giavaresi等［26］報道了50%透明質(zhì)酸與Cu2+的添加可促進(jìn)異體骨的愈合。黃文良等［27］將自體紅骨髓與同種異體植骨材料骨復(fù)合在一起進(jìn)行植骨，其效果與自體骨移植近似，而單獨(dú)采用紅骨髓移植則療效不佳。在臨床中也有采用異體骨與自體骨混合移植的報道［28］。

四、異體骨移植展望

異體骨是目前臨床應(yīng)用最多的骨替代材料，但由于其“爬行替代”過程的緩慢，其單獨(dú)應(yīng)用的效果與臨床需求還有一定差距。利用組織工程的原理與方法，采用復(fù)合移植的方法使異體骨得到活化，是今后異體骨移植研究與應(yīng)用的發(fā)展方向。

［1］Lomas R，Chandrasekar A，Board TN.Bone allograft in the U.K.: perceptions and realities［J］.Hip Int，2013，23（5）:427-433.

［2］Ito H，Koefoed M，Tiyapatanaputi P，et al.Remodeling of cortical bone allografts mediated by adherent rAAV-RANKL and VEGF gene therapy［J］.Nat Med，2005，11（3）:291-297.

［3］Beswick A，Blom AW.Bone graft substitutes in hip revision surgery:a comprehensive overview［J］.Injury，2011，42 Suppl 2:S40-S46.

［4］Calori GM，Mazza E，Colombo M，et al.The use of bone-graft substitutes in large bone defects:any specific needs？［J］.Injury，2011，42，Suppl 2:S56-S63.

［5］Chau AM，Mobbs RJ.Bone graft substitutes in anterior cervical discectomy and fusion［J］.Eur Spine J，2009，18（4）:449-464.

［6］Urabe K，Itoman M，Toyama Y，et al.Current trends in bone grafting and the issue of banked bone allografts based on the fourth nationwide survey of bone grafting status from 2000 to 2004［J］.J Orthop Sci，2007，12（6）:520-525.

［7］Sternheim A，Drexler M，Kuzyk PR，et al.Treatment of failed allograft prosthesis composites used for hip arthroplasty in the setting of severe proximal femoral bone defects［J］.J Arthroplasty，2014，29（5）:1058-1062.

［8］康焱，廖威明.同種異體骨移植的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀（文獻(xiàn)綜述）［J］.國外醫(yī)學(xué)（外科學(xué)分冊），2004（4）:221-225.

［9］Aponte-Tinao LA，Ritacco LE，Albergo JI，et al.The principles and applications of fresh frozen allografts to bone and joint reconstruction［J］.Orthop Clin North Am，2014，45（2）:257-269.

［10］Blokhuis TJ，Lindner T.Allograft and bone morphogenetic proteins:an overview［J］.Injury，2008，39，Suppl 2:S33-S36.

［11］Al-jandan BA，Al-Harkan A，Pompura J，et al.Evaluation of deproteinized bone mineral（DBM）as an onlay bone-graft in the rabbit mandible［J］.The Saudi Journal for Dental Research，2015，6（2）: 133-139.

［12］雙峰，趙彥濤，侯樹勛.同種異體脫鈣骨基質(zhì)研究現(xiàn)狀［J］.臨床軍醫(yī)雜志，2012（2）:480-481.

［13］Tang Y，Tang W，Lin Y，et al.Combination of bone tissue engineering and BMP-2 gene transfection promotes bone healing in osteoporotic rats［J］.Cell Biol Int，2008，32（9）:1150-1157.

［14］Fox EJ，Hau MA，Gebhardt MC，et al.Long-term followup of proximal femoral allografts［J］.Clin Orthop Relat Res，2002（397）:106-113.

［15］劉昌奎，譚新穎，羅金超，等.同種異體骨支架復(fù)合自體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞修復(fù)下頜骨節(jié)段缺損動物模型的建立［J］.口腔醫(yī)學(xué)研究，2015（1）:27-30.

［16］Wall A，Board T.Bone:formation by autoinduction［M］.Classic Papers in Orthopaedics，Banaszkiewicz PA，Kader DF.London: Springer，2014:449-451.

［17］Tsiridis E，Ali Z，Bhalla A，et al.In vitro and in vivo optimization of impaction allografting by demineralization and addition of rh-OP -1［J］.J Orthop Res，2007，25（11）:1425-1437.

［18］Froum SJ，Wallace S，Cho SC，et al.Histomorphometric comparison of different concentrations of recombinant human bone morphogenetic protein with allogeneic bone compared to the use of 100% mineralized cancellous bone allograft in maxillary sinus grafting［J］.Int J Periodontics Restorative Dent，2013，33（6）:721-730.

［19］Runyan CM，Ali ST，Chen W，et al.Bone tissue engineering by way of allograft revitalization:mechanistic and mechanical investigations using a porcine model［J］.J Oral Maxillofac Surg，2014，72 （5）:1000 e1-e11.

［20］Hood B，Hamilton DK，Smith JS，et al.The use of allograft and recombinant human bone morphogenetic protein for instrumented atlantoaxial fusions［J］.World Neurosurg，2014，82（6）:1369-1373.

［21］Malinin T，Temple HT，Garg A.Cancellous and cortical microparticulate allograft for dental implantation:an experimental study in non-human primates［J］.Implant Dent，2009，18（5）:420-427.

［22］趙謙，顧潔夫，蔡林.自體骨髓基質(zhì)細(xì)胞與異體松質(zhì)骨基質(zhì)復(fù)合修復(fù)兔橈骨缺損的實(shí)驗研究［J］.醫(yī)學(xué)新知雜志，2002（3）:126-128.

［23］柴崗，曹誼林，尹健.骨組織工程應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.實(shí)用美容整形外科雜志，2002（5）:264-266.

［24］Zhang X，Xie C，Lin AS，et al.Periosteal progenitor cell fate in segmental cortical bone graft transplantations:implications for functional tissue engineering［J］.J Bone Miner Res，2005，20（12）:2124-2137.

［25］Zhang M，Wang K，Shi Z，et al.Osteogenesis of the construct combined BMSCs with beta-TCP in rat［J］.J Plast Reconstr Aesthet Surg，2010，63（2）:227-232.

［26］Giavaresi G，F(xiàn)ini M，Salvage J，et al.Bone regeneration potential of a soybean-based filler:experimental study in a rabbit cancellous bone defects［J］.J Mater Sci Mater Med，2010，21（2）:615-626.

［27］黃文良，鄧江，賈東林，等.自體紅骨髓構(gòu)建非細(xì)胞型組織工程化骨修復(fù)骨缺損［J］.中國組織工程研究，2012，16（21）:3819-3822.

［28］Burrus MT，Werner BC，Crow AJ，et al.Increased failure rates after anterior cruciate ligament reconstruction with soft-tissue autograft-allograft hybrid grafts［J］.Arthroscopy，2015，31（12）:2342-2351.

10.3969/j.issn.1674-8573.2016.04.018

200433上海，第二軍醫(yī)大學(xué)長海醫(yī)院骨科

李明，E-mail:limingch@21cn.com

（2015-07-06）