HIF-1α轉(zhuǎn)染脂肪干細(xì)胞復(fù)合HA/β-TCP 人工骨修復(fù)兔股骨頭壞死模型的實(shí)驗(yàn)研究

戴明華 華筠毅 張貴寶 徐華年 吳洪亮

(上海市浦東新區(qū)浦南醫(yī)院，骨科 上海 200125)

股骨頭壞死(ONFH)也可稱之為股骨頭缺血性壞死，是源于多種因素引起股骨頭部血液供應(yīng)障礙，進(jìn)而引發(fā)股骨頭關(guān)節(jié)功能障礙、股骨頭塌陷等多種骨科疑難病[1-2]。隨著我國(guó)人口老齡化逐漸增加，ONFH的發(fā)病率也隨之上升，故受到人們廣泛關(guān)注[3-7]。羥基磷灰石/β-磷酸三鈣(HA/β-TCP)構(gòu)成的復(fù)合材料是公認(rèn)的性能良好的骨修復(fù)替代材料。缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)在骨再生時(shí)成骨和成血管的偶聯(lián)反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，是一個(gè)細(xì)胞對(duì)缺氧環(huán)境的反應(yīng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因子[8]。本研究采用HIF-1α轉(zhuǎn)染脂肪干細(xì)胞復(fù)合HA/β-TCP人工骨修復(fù)兔股骨頭壞死模型，探討其在骨頭壞死中的治療效果。報(bào)告如下。

1 材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料 健康新西蘭白兔45只，平均體重2.5 kg(2.2～2.8 kg)，其中45只共90側(cè)股骨頭分5個(gè)組，其中A-D組每組各10只，E組5只。從兔耳緣靜脈注射大腸桿菌內(nèi)毒素(LPS，美國(guó)sigma公司)50 g/kg，2次。與此同時(shí)，進(jìn)行臀肌注射甲基潑尼松40 mg/kg，共3次，每日1次。所有動(dòng)物每周臀部注射青霉素20萬(wàn)U。最后一次注射后6周，使用3%的戊巴比妥鈉耳緣靜脈麻醉動(dòng)物，將動(dòng)物俯臥位放置，行磁共振檢查證實(shí)動(dòng)物股骨頭內(nèi)出現(xiàn)骨壞死。

1.2實(shí)驗(yàn)方法 模型制作成功后，將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物分為5組：A組為采用髓芯減壓術(shù)后植入HIF-1α轉(zhuǎn)染脂肪干細(xì)胞復(fù)合HA/β-TCP人工骨。使用3%的戊巴比妥鈉麻醉后，俯臥在手術(shù)臺(tái)上，雙側(cè)股骨近端剃毛，1%活力碘消毒鋪巾。以股骨大轉(zhuǎn)子為中心做3 cm左右的縱形皮膚切口，切開(kāi)深筋膜，暴露大轉(zhuǎn)子和周圍的肌肉，向內(nèi)側(cè)分離附著在大轉(zhuǎn)子后方的肌肉，并暴露骨組織。用直徑1 mm的鉆頭經(jīng)大轉(zhuǎn)子后下方與股骨長(zhǎng)軸成135°向股骨頭內(nèi)鉆孔，同時(shí)用C臂機(jī)透視，確保鉆頭進(jìn)入股骨頭壞死病灶內(nèi)。A組為植入HIF-1α轉(zhuǎn)染脂肪干細(xì)胞復(fù)合HA/β-TCP人工骨；B組植入脂肪干細(xì)胞復(fù)合HA/β-TCP人工骨；C組植入HA/β-TCP人工骨；D組植入脂肪干細(xì)胞；然后用凝膠海綿封閉隧道，肌肉覆蓋隧道口，逐層縫合。術(shù)后3d，每d注射慶大霉素8萬(wàn)單位預(yù)防感染。E組不做手術(shù)，為空白對(duì)照組。于術(shù)后2、4、6、8、12周后，分別取出各組2只兔子，其中E組僅取1只，剃除胸部和腹部毛發(fā)，仰臥位固定在手術(shù)臺(tái)上，3%的戊巴比妥鈉麻醉后，1%活力碘消毒鋪巾。腹部正中切口，切開(kāi)皮下組織和肌肉，打開(kāi)腹腔，結(jié)扎腹主動(dòng)、靜脈的近心端。將靜脈留置針插入遠(yuǎn)心端的腹主動(dòng)脈，并固定牢固。剪開(kāi)遠(yuǎn)心端的腹主靜脈，使用含有肝素的生理鹽水緩慢灌注，直至流出的液體完全透明。腹主動(dòng)脈注射20ml Microfil工作液，嚴(yán)格按照Microfil的說(shuō)明書進(jìn)行配置，隨后將動(dòng)物放置在4℃的冰箱過(guò)夜。第2天，取出動(dòng)物的雙側(cè)股骨近端，標(biāo)記后，放置在4%多聚甲醛中保存。觀察指標(biāo)：(1)X線攝片、CT掃描：術(shù)后2、4、6、8、12周各組兔攝雙側(cè)髖關(guān)節(jié)X線正位片及CT掃描，觀察股骨頭形態(tài)和髖關(guān)節(jié)情況。X 線檢查，參照Lane-sandhu X線評(píng)分法對(duì)骨修復(fù)情況進(jìn)行評(píng)分，該評(píng)分包括骨形成、骨連接、骨塑形，共計(jì)11項(xiàng)，總分12分，分?jǐn)?shù)越高表示骨修復(fù)情況越好。(2)修復(fù)區(qū)內(nèi)骨形態(tài)計(jì)量分析：將術(shù)后四個(gè)時(shí)間段各組所有組織塊進(jìn)行連續(xù)切片，系統(tǒng)選片，每塊組織選5張。在放大100倍條件，每張切片上系統(tǒng)隨機(jī)選取5個(gè)視野，在圖像分析儀下進(jìn)行組織形態(tài)分析，測(cè)定術(shù)后新生骨小梁厚度。

2 結(jié) 果

2.1骨修復(fù)評(píng)分 A組在術(shù)后2周、4周、8周、12周的骨修復(fù)評(píng)分上均比B組、C組、D組、E組高(P<0.05)。見(jiàn)表1。

表1 骨修復(fù)評(píng)分(分)

2.2術(shù)后骨小梁厚度 A組在術(shù)后2周、4周、8周、12周的骨小梁厚度上均比B組、C組、D組、E組高(P<0.05)。見(jiàn)表2。

表2 術(shù)后骨小梁厚度(um)

3 討 論

近年來(lái)，ONFH發(fā)病率逐年呈上升趨勢(shì)，該疾病屬于現(xiàn)階段骨科中最常見(jiàn)的難治性疾病，若未予以早期、對(duì)癥治療，可誘發(fā)不同程度的塌陷，造成髖部持續(xù)性疼痛，且關(guān)節(jié)功能受到一定限制，進(jìn)而對(duì)患者生活質(zhì)量、生命健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[9-10]。為了更好的研究ONFH，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用各種法在動(dòng)物身上建立ONFH病的模型。

納米相羥基磷灰石/膠原骨為細(xì)胞提供了天然骨類似的微環(huán)境，有助于骨系細(xì)胞的黏附、增殖及功能發(fā)揮。與骨組織結(jié)合后促進(jìn)骨的生長(zhǎng)，而且其形態(tài)比較穩(wěn)定，抑制部分腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的同時(shí)對(duì)正常細(xì)胞沒(méi)有毒性作用[11-12]。本次研究結(jié)果表明，A組在術(shù)后2周、4周、8周、12周的骨修復(fù)評(píng)分上均比B組、C組、D組、E組高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，A組在術(shù)后2周、4周、8周、12周的骨小梁厚度上均比B組、C組、D組、E組高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，分析原因：HIF-1α是血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)的上游基因，HIF-1α過(guò)表達(dá)能夠增強(qiáng)VEGF在脂肪干細(xì)胞中的分泌，誘導(dǎo)新生血管的形成。另外，HIF-1α還能夠增強(qiáng)基質(zhì)細(xì)胞源性細(xì)胞因子(SDF-1)、堿性成纖維生長(zhǎng)因子(bFGF)、血管生成素2(ANGPT2)、胎盤生長(zhǎng)因子(PLGF)、干細(xì)胞因子(SCF)等因子的分泌，多種因子共同作用能夠更好的促進(jìn)形成完整的新血管。

綜上所述，HIF-1α轉(zhuǎn)染脂肪干細(xì)胞復(fù)合HA/β-TCP人工骨修復(fù)有明顯的修復(fù)能力，可保持較好的股骨頭外形，促進(jìn)骨化程度的修復(fù)，移植物與宿主骨整合較好，并可提升骨小梁厚度，治療效果顯著。