腦外傷影響肢體骨折愈合相關(guān)機(jī)制的研究進(jìn)展

李 磊 夏德萌 許碩貴

現(xiàn)代創(chuàng)傷所導(dǎo)致的骨折患者中有很大比例常在愈合期間發(fā)生骨不連，發(fā)生率達(dá)10%，因此探究促進(jìn)骨折愈合的相關(guān)機(jī)制顯得尤為重要[1]。在臨床上20世紀(jì)就有相關(guān)報(bào)道，合并有腦外傷的四肢骨折患者與單純骨折患者的骨折愈合比較過程有所不同。相關(guān)研究表明伴有腦外傷的四肢骨折患者骨痂的形成常常快于單純骨折患者[2]。因此本文從研究腦外傷對骨折愈合的影響因素出發(fā)，對當(dāng)前已有機(jī)制假說等研究成果進(jìn)行綜述，以期能深入了解骨折愈合的機(jī)制，為臨床應(yīng)用提供參考。目前對于這一現(xiàn)象的作用因素的假說主要有：①堿中毒學(xué)說；②機(jī)械刺激學(xué)說；③神經(jīng)調(diào)節(jié)學(xué)說；④體液學(xué)說。

一、堿中毒學(xué)說

骨折愈合受到局部理化因素的影響，腦外傷常常引起患者的過度通氣，使血的pH值升高。Newman等[3,4]的回顧性研究通過對比合并腦外傷的骨折患者的動脈血pH值，發(fā)現(xiàn)該類患者的平均動脈pH值為7.49(7.35～7.45)較正常值升高，呈堿中毒。他們推斷合并腦外傷的骨折患者輕度堿中毒的內(nèi)環(huán)境促進(jìn)血鈣在骨折處沉淀，進(jìn)而加速骨痂形成及骨折愈合。但目前未發(fā)現(xiàn)有研究者對該假說進(jìn)行驗(yàn)證。

二、機(jī)械刺激學(xué)說

骨折處動態(tài)的微動可能會刺激新骨形成從而促進(jìn)骨折愈合。其中Yamaji等[5]認(rèn)為在骨折間隙較小的情況下骨折處的微動可以在早期促進(jìn)骨痂形成并加速骨折愈合。因此國內(nèi)有研究者猜想合并腦外傷昏迷的骨折患者因腦外傷導(dǎo)致大腦皮質(zhì)興奮，患者常有躁動或肢體肌肉痙攣，使得骨折處存在不同程度的活動，刺激骨折處骨形態(tài)發(fā)生蛋白合成分泌從而骨痂形成加速促進(jìn)骨折愈合[6]。Perkins等[7]通過髓內(nèi)針固定的方法排除了骨折處的微動因素，發(fā)現(xiàn)合并腦外傷的骨折患者與單純骨折患者比較，骨痂量仍多且形成速度快。因此，機(jī)械因素是否是合并腦外傷的骨折患者骨折愈合加速的主要因素仍有待進(jìn)一步研究探討。

三、神經(jīng)調(diào)節(jié)學(xué)說

研究表明不同水平的神經(jīng)損傷對骨折愈合影響不同。有研究發(fā)現(xiàn)顱腦和外周神經(jīng)的損傷可以加速骨折愈合而脊髓損傷導(dǎo)致成骨延遲[8]。骨折時(shí)骨及骨膜上感覺神經(jīng)會釋放一種神經(jīng)肽(neuropeptide，NP)，已有研究證實(shí)神經(jīng)肽在骨痂愈合和促進(jìn)骨折愈合的過程中有重要作用。目前已報(bào)道可以促進(jìn)骨折愈合的神經(jīng)肽主要有降鈣素基因相關(guān)肽(calcitonin gene related peptide, cGRP)、P物質(zhì)(substance P, SP)、血管活性腸肽(vasoactice intestinal peptide, VIP)等[9]。釋放這些神經(jīng)肽的肽能神經(jīng)在骨組織分布廣泛，主要是骨膜、干骺端等骨組織生長活躍部位，其中含量較多的是免疫反應(yīng)陽性的cGRP肽能神經(jīng)。國內(nèi)關(guān)于腦外傷加速骨折愈合的神經(jīng)機(jī)制研究也主要是關(guān)于cGRP的研究。Hara-Irie等[10]對正常大鼠和失坐骨神經(jīng)支配的大鼠的骨小梁進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)失神經(jīng)支配的大鼠骨小梁密度明顯增加，說明骨骺區(qū)破骨細(xì)胞活動受到降鈣素基因相關(guān)肽陽性神經(jīng)纖維的調(diào)節(jié)。

四、體液學(xué)說

Bidner等[11]用腦外傷患者的血清培養(yǎng)大鼠成骨細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)合并腦外傷患者的血清促進(jìn)成骨細(xì)胞有絲分裂活性強(qiáng)于無腦外傷患者且效應(yīng)存在劑量依賴性，因而提出體液學(xué)說?，F(xiàn)階段關(guān)于腦外傷后骨折愈合加速的機(jī)制的研究主要集中在體液學(xué)說方面，即合并腦外傷的骨折患者機(jī)體中最廣泛的體液成分變化對骨折愈合的影響。研究目標(biāo)主要是腦脊液和血清中在腦外傷合并骨折患者中有顯著變化能夠促進(jìn)骨折愈合的體液因子。目前主要研究的體液種類有兩個：激素和細(xì)胞因子或生長因子。

1.激素：患者遭受腦外傷后，由于應(yīng)激以及顱腦功能的影響，其內(nèi)分泌系統(tǒng)往往有一系列變化，各種激素水平的變化可能會對骨折愈合產(chǎn)生影響。綜合發(fā)現(xiàn)可能促進(jìn)合并腦外傷患者骨折愈合的激素有生長激素(growth hormone, GH)、瘦素(leptin, LP)、甲狀旁腺激素(parathyroid hormine, PTH)和催乳素(prolactin, PRL)。(1)生長激素:生長激素除了對于機(jī)體的一般性促生長作用以外，還可以通過直接刺激成骨代謝，作用于軟骨細(xì)胞等方法促進(jìn)骨折愈合。生長激素也可以通過刺激胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor, IGF)合成表達(dá)，從而刺激骺板軟骨細(xì)胞增殖。Bail等[12]通過微型豬骨折愈合模型證明重組GH可以加速骨折愈合。Wilderburger等[13]研究發(fā)現(xiàn)單純骨折患者血清的GH水平在創(chuàng)傷早期有一過性升高，而合并腦外傷的骨折患者血清中的GH會有二次上升，且生長激素介導(dǎo)的IGF升高可長達(dá)14周，表明生長激素是促成腦外傷患者骨折加速的可能因素。(2)瘦素：瘦素是肥胖基因(OB)編碼合成的一種多肽激素，在能量代謝、神經(jīng)內(nèi)分泌、血管生成等方面發(fā)揮重要作用。 研究表明瘦素在中樞系統(tǒng)抑制成骨，而在外周促進(jìn)成骨。Gordeladze等[14]在體外培養(yǎng)的成骨細(xì)胞中加入瘦素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)瘦素能夠通過促進(jìn)膠原合成從而促使成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌?xì)胞。汪雷等[15]檢測對比單純腦外傷、單純骨折及骨折合并腦外傷患者血清瘦素水平，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)傷后瘦素水平升高。姚翔等[16]研究發(fā)現(xiàn)腦外傷中后期血清中瘦素升高明顯，提示瘦素可能是加速骨折愈合的因素之一。(3)甲狀旁腺激素：甲狀旁腺激素是甲狀旁腺主細(xì)胞分泌的多肽激素，生理功能主要是促進(jìn)血鈣升高，血磷降低。PTH對骨的作用有雙向性，大劑量可促進(jìn)破骨細(xì)胞分化，引起骨質(zhì)吸收；小劑量間斷給予PTH刺激成骨細(xì)胞，成骨增加。國內(nèi)外研究者也發(fā)現(xiàn)合并腦外傷的骨折患者血清PTH值比單純骨折患者和單純腦外傷患者高，表明PTH可能是加速骨折愈合的因素之一。 (4)催乳素：催乳素能夠誘導(dǎo)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(human mesenchymal stem cell， hMSCs)增殖及向軟骨細(xì)胞分化[17]。除了生理狀態(tài)下的波動，PRL在應(yīng)激狀態(tài)或受到包括腦外傷在內(nèi)的多種創(chuàng)傷影響激素水平會顯著改變。Wilderburger等[18]研究發(fā)現(xiàn)，腦外傷合并四肢骨折的患者在創(chuàng)傷后5周血清PRL水平明顯升高，其濃度峰值出現(xiàn)于成骨活躍階段，提示PRL是影響成骨的因素之一。

2.細(xì)胞因子:合并腦外傷的骨折患者血液中可以發(fā)現(xiàn)許多促進(jìn)骨折愈合的細(xì)胞因子，這些細(xì)胞因子在骨折愈合過程中相互影響共同誘導(dǎo)成骨，又稱骨誘導(dǎo)生長因子。目前研究的主要細(xì)胞因子有堿性成纖維細(xì)胞生長因子(basic fibroblast growth factor, bFGF)、胰島素樣生長因子(insulin-like growth factors, IGF)、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor, TGF)、血小板衍生性生長因子(platelet derivative growth factor, PDGF)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)等。(1)堿性成纖維細(xì)胞生長因子：FGF主要有aFGF和bFGF兩種形式，aFGF主要促進(jìn)軟骨細(xì)胞生長，bFGF主要促進(jìn)成骨過程。bFGF可以促進(jìn)細(xì)胞有絲分裂、趨化、分化、血管形成，促進(jìn)成骨細(xì)胞增生，加速骨、軟骨等組織的修復(fù)。Wilderburger等[19]發(fā)現(xiàn)單純骨折患者和單純腦外傷患者血清中的bFGF水平短暫升高，而腦外傷合并骨折患者血清bFGF水平呈現(xiàn)持續(xù)性升高。且Wilderburger團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)血清中bFGF的增加往往伴隨堿性磷酸酶的顯著增加，他們猜測這種變化與腦外傷促進(jìn)骨折愈合有著重要關(guān)系。國內(nèi)研究者也針對bFGF進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，均發(fā)現(xiàn)合并腦外傷的骨折患者血清bFGF水平高于其他組且骨折愈合加快。他們推斷腦外傷加速骨折愈合的原因可能是以下兩點(diǎn)：①腦外傷后血清中bFGF水平增加，直接作用于骨折處，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，加速愈合;②bFGF作用于骨折處，對成骨細(xì)胞產(chǎn)生趨化作用，使更多干細(xì)胞向骨折處聚集，加速骨折愈合。(2)胰島素樣生長因子:胰島素樣生長因子受生長激素影響，生長激素在上文已有簡述，IGF主要分為IGF-1和IGF-2兩種?，F(xiàn)有研究表明IGF-1是促進(jìn)成骨的重要因子，它能減少骨膠質(zhì)退化，加速膠原形成，增加骨質(zhì)沉積，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化增殖。Wilderburger等[13]研究發(fā)現(xiàn)合并腦外傷的骨折患者血清IGF-1水平較單純骨折及單純腦外傷患者高。隨后國內(nèi)對于IGF的研究均驗(yàn)證此現(xiàn)象并發(fā)現(xiàn)IGF濃度高峰延遲。鄭少濤等[20]研究發(fā)現(xiàn)，IGF-2在促進(jìn)骨折愈合過程中有一定作用。(3)血管內(nèi)皮生長因子：血管內(nèi)皮生長因子作為一種主要的生長因子， VEGF誘導(dǎo)骨折處血管生成，改善缺氧狀態(tài)并為成骨組織提供充足營養(yǎng)支持從而加速骨折愈合。腦外傷后患者缺氧狀態(tài)提示VEGF可能是加速骨折愈合的一個可能因素。Tarkka等[21]第一次通過腺病毒VEGF-A基因轉(zhuǎn)移方式驗(yàn)證了VEGF在骨折愈合中的作用。國內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)合并腦外傷的骨折患者骨折局部的血清VEGF表達(dá)高峰提前且峰值增加，并證實(shí)腦外傷程度和VEGF表達(dá)呈正相關(guān)。(4)轉(zhuǎn)化生長因子：TGF-β是轉(zhuǎn)化生長因子超家族因子中的一種，能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞生長分化，在骨生長及修復(fù)中有重要作用。Schmidmaier等[22]研究證實(shí)使用TGF-β可以在早期加速大鼠脛骨骨折愈合。有觀點(diǎn)認(rèn)為骨折早期骨折處血腫內(nèi)炎細(xì)胞和血小板分泌TGF-β促進(jìn)骨折愈合，而合并腦外傷的骨折患者顱腦血腫進(jìn)一步分泌TGF-β并通過受損的血腦屏障作用于骨折處加速骨折愈合。但王守君等[23]研究發(fā)現(xiàn)合并腦外傷的骨折患者血清TGF-β降低，骨折局部的TGF-β濃度升高。他們推測TGF-β水平降低的原因是腦外傷合并骨折后TGF-β向損傷區(qū)趨化加速修復(fù)，而損傷處的修復(fù)消耗大量TGF-β導(dǎo)致血清TGF-β水平下降，在骨折愈合后恢復(fù)正常。(5)血小板衍生性生長因子：血小板衍生性生長因子作為骨生長因子能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞，成纖維細(xì)胞，平滑肌細(xì)胞的分裂與增殖，協(xié)同其他生長因子促進(jìn)骨折愈合。國內(nèi)研究者研究發(fā)現(xiàn)在合并腦外傷的骨折患者的腦組織及骨折處可檢測出PDGF顯著表達(dá)，體外實(shí)驗(yàn)亦證實(shí)PDGF對骨折愈合的顯著促進(jìn)作用。由此推測PDGF可能是腦外傷促進(jìn)骨折愈合的一種可能因素。(6)骨形態(tài)發(fā)生蛋白：骨形態(tài)發(fā)生蛋白屬于TGF-β超家族，具有誘導(dǎo)成骨作用。Park等[24]研究發(fā)現(xiàn)BMP-2成骨能力更強(qiáng)，在局部成骨作用強(qiáng)，且體內(nèi)外均能成骨，可以加速骨折愈合。郭啟等[25]通過免疫組化和RT-PCR檢測合并腦外傷的骨折患者骨痂中BMP-2及其基因表達(dá)發(fā)現(xiàn)，該類患者骨折處BMP-2 mRNA表達(dá)顯著高于單純骨折和單純腦外傷患者。

五、展 望

骨折愈合是指損傷后骨組織及其功能的生理性修復(fù)，是涉及成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞等多種細(xì)胞和影響因子共同參與的復(fù)雜過程。而腦外傷的預(yù)后取決于創(chuàng)傷后原發(fā)性和繼發(fā)性損傷。顱腦在遭受創(chuàng)傷打擊時(shí)發(fā)生由腦震蕩、腦挫傷、撕裂傷和軸突牽拉傷組成的原發(fā)性腦損傷。在原發(fā)性損傷后顱腦在復(fù)雜的免疫、生化、生理變化下產(chǎn)生繼發(fā)性腦損傷。而繼發(fā)性腦損傷受到不同過程的多種因子影響，如炎癥、水腫、細(xì)胞死亡、線粒體損傷、自由基產(chǎn)生和血-腦脊液屏障的破壞。骨折愈合與腦外傷之間的相互關(guān)系一直是研究的熱點(diǎn)。

雖然早在1960年Gibson等首次報(bào)道合并腦外傷的股骨骨折患者的骨折處有大量骨痂形成，但關(guān)于驗(yàn)證腦外傷加速骨折愈合的臨床研究仍有待嚴(yán)格的隨機(jī)對照研究?，F(xiàn)有研究關(guān)于合并腦外傷的骨折患者骨折愈合加速機(jī)制的猜想主要有4種，其中堿中毒和機(jī)械因素已有研究將其可能排除，而體液學(xué)說是目前研究的重點(diǎn)[7]。體液因子加速骨折愈合的機(jī)制可能有：(1)腦外傷導(dǎo)致血-腦脊液屏障損傷，顱腦內(nèi)某種體液因子釋放入血，富集到骨折處加速骨折愈合。(2)腦外傷導(dǎo)致顱腦功能破壞，激素水平變化，某種促成骨激素水平升高或抑制成骨激素降低從而促進(jìn)成骨。(3)神經(jīng)學(xué)說在某種程度上因?yàn)樯窠?jīng)支配局部釋放的因子可以看作是體液的一種，亦可以依照體液學(xué)說的研究方法進(jìn)行評估。

目前針對體液學(xué)說的研究大多聚焦于某種單一影響因子，如TGF、VEGF、BMP等，通過在已知血清中促進(jìn)成骨的因子中篩選腦外傷后快速增加的因子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法多是通過將實(shí)驗(yàn)動物分為單純骨折組、單純腦外傷組、腦外傷合并骨折組以及空白對照組，對各組血清中研究因子進(jìn)行測量對比得出結(jié)論。骨折愈合過程復(fù)雜，影響因素影響因子繁多，且不同因子間相互聯(lián)系共同構(gòu)成促進(jìn)成骨的體液網(wǎng)絡(luò)，研究單一的體液因子往往忽視了體液整體的促成骨作用。筆者也注意到有些因子，例如GH和IGF等，并非同時(shí)產(chǎn)生，它們之間有著從上至下的整條通路。已有研究者針對某些基因進(jìn)行研究，試圖在上游找到影響骨折愈合的真正原因[13]。故筆者針對目前現(xiàn)有基礎(chǔ)研究建議可以通過近年來分子生物學(xué)中基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等角度對這一現(xiàn)象進(jìn)行深入研究。而在實(shí)驗(yàn)動物的選擇上，筆者發(fā)現(xiàn)嚙齒類動物SD大鼠是眾多研究的首選，但存在著大鼠經(jīng)受腦外傷后易死亡，骨折模型難以建立等問題。

綜上所述，目前體液學(xué)說是否能正確解釋這一現(xiàn)象以及哪些體液因子能夠加速腦外傷患者的骨折愈合至今尚未有定論。但本文上述的各類原因有較大可能性解釋這個持續(xù)了半個多世紀(jì)的困惑。倘若能夠針對這幾種因子及其上下游進(jìn)行深入研究，最終闡明這一機(jī)制并探明確切因子，利用該因子臨床醫(yī)生便能夠促進(jìn)腦外傷患者骨折快速愈合，同時(shí)應(yīng)用臨床治療骨折延遲愈合或骨不連患者，極大改善患者的預(yù)后。