基于頜骨和股骨差異的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中種植體骨結(jié)合影響因素

唐渝菲， 周安琪， 于暉， 劉珍珍， 張歆緣， 王斌， 張愷文， 向琳

1. 口腔疾病研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國(guó)家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院，四川 成都（610041）； 2. 口腔疾病研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國(guó)家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院種植科，四川 成都（610041）； 3.四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院唇腭裂外科，四川 成都（610041）

種植體骨結(jié)合（osseointegration）由瑞典的Br?nemark 教授提出，即種植體和周圍骨組織緊密接觸，光鏡下可見(jiàn)到?jīng)]有任何纖維組織等非骨組織介入。良好的骨結(jié)合能使種植體承受的負(fù)荷持續(xù)傳導(dǎo)并分散在骨組織中，是承受口腔內(nèi)各種來(lái)源的應(yīng)力的組織學(xué)基礎(chǔ)［1］。種植體骨結(jié)合率越高，種植體穩(wěn)定性就越強(qiáng)，種植的成功率也就越高［2］。頜骨和股骨作為基礎(chǔ)研究中常用的種植體植入部位，兩者在胚胎發(fā)育、骨質(zhì)結(jié)構(gòu)以及骨代謝等方面存在著較大的差異［3］。本文將圍繞頜骨與股骨在胚胎發(fā)育及生長(zhǎng)、組織形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)以及骨代謝等方面的差異作一綜述，并探討導(dǎo)致頜骨與股骨種植體骨結(jié)合差異的可能因素。

1 頜骨和股骨的胚胎發(fā)育及生長(zhǎng)

1.1 頜骨的胚胎發(fā)育及生長(zhǎng)

在顱面部發(fā)育早期，第一鰓弓的間充質(zhì)細(xì)胞形成原發(fā)性及繼發(fā)性軟骨，通過(guò)膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨在顱面骨架形成中發(fā)揮著重要的作用。上頜骨由第一鰓弓形成的上頜突通過(guò)膜內(nèi)骨化發(fā)育而來(lái)。胚胎第8 周，上頜帶狀細(xì)胞聚集區(qū)骨化形成不同的骨化中心，從這些骨化中心向不同的方向生長(zhǎng)形成上頜骨。下頜骨發(fā)育自第一鰓弓，除髁突外，下頜骨的其他部分均是膜內(nèi)成骨［4］。胚胎第7 周，下頜骨的發(fā)育以膜內(nèi)成骨方式出現(xiàn)。研究表明，下頜骨并非單一的成骨方式，其兼具膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨兩種成骨方式。下頜骨在胚胎期時(shí)主要發(fā)生形態(tài)上的改變，但其礦化程度低［5］?？偟膩?lái)說(shuō)，頜骨的發(fā)生以膜內(nèi)成骨的方式為主。出生后到生長(zhǎng)發(fā)育高峰期以前，上下頜骨仍有一定的生長(zhǎng)空間，上頜骨主要是向前、向下以及向外生長(zhǎng)，下頜骨的生長(zhǎng)方向則主要是向后、向上。

1.2 股骨的胚胎發(fā)育及生長(zhǎng)

目前暫無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道股骨的發(fā)生始于胚胎發(fā)育的哪個(gè)階段，股骨是四肢骨，其發(fā)生方式屬于軟骨內(nèi)成骨。四肢骨來(lái)源于中胚層間葉細(xì)胞，其發(fā)生始于胚胎第6 周，略早于頜骨的發(fā)生。6 周以后出現(xiàn)初級(jí)骨化中心，骨化中心向軟骨雛型兩端進(jìn)行骨化，出生時(shí)大致完成。出生后，骨骺端保留的軟骨可形成次級(jí)骨化中心參與骨增長(zhǎng)過(guò)程，股骨還可以通過(guò)骨膜發(fā)揮功能，在保證骨組織適當(dāng)厚度的前提下使骨干增粗。這提示可能與其胚胎發(fā)育和生長(zhǎng)的情況類似，在頜骨與股骨植入種植體后，肢體周圍新骨的成骨方式及生成方向可能會(huì)有所不同。而目前已有研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者骨膜來(lái)源細(xì)胞（periosteum-derived cells，PDCs）的成骨能力優(yōu)于其骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow-derived mesenchymal stem cells，BMSCs）［6］。這提示了成骨方式的不同可能會(huì)導(dǎo)致骨結(jié)合差異的出現(xiàn)。

2 頜骨和股骨的組織形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)

不同部位的骨組織由于發(fā)生發(fā)育與功能的不同，組織形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)仍存在著差異。頜骨屬于不規(guī)則骨，包圍和支持著牙根的牙槽骨（alveolar bone）內(nèi)分布著大量的內(nèi)源性纖維，同時(shí)還包埋了大量的外源性纖維，而股骨中僅有內(nèi)源性纖維。膠原纖維作為骨組織的重要組成部分，已被證明可通過(guò)支架作用促進(jìn)骨組織愈合［7］。組織工程研究中也常在生物材料支架中加入膠原纖維以促進(jìn)細(xì)胞的成骨分化［8］。膠原纖維形成的支架可以在新骨生成過(guò)程中為細(xì)胞提供錨定位點(diǎn)，增強(qiáng)新骨的機(jī)械穩(wěn)定性，同時(shí)發(fā)揮導(dǎo)向作用，控制骨形成的方向。頜骨與股骨中膠原纖維排列方向及密度的不同也可能導(dǎo)致對(duì)細(xì)胞成骨的影響出現(xiàn)差異，不同類型的纖維其促成骨能力也不盡相同。股骨作為長(zhǎng)骨，相較于頜骨而言骨密質(zhì)更多，骨單位（osteon）排列更加整齊規(guī)律。研究證實(shí)，脛骨作為長(zhǎng)骨之一，其骨量與年齡呈負(fù)相關(guān)，而（牙）根間骨量隨著時(shí)間增長(zhǎng)略有增加［9］。

骨髓分為有造血功能的紅骨髓（red marrow）和含脂肪較多的黃骨髓（yellow marrow）。隨著個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育，兩種骨髓的分布會(huì)發(fā)生變化。在普通的成年個(gè)體中，紅骨髓幾乎只存在于長(zhǎng)骨（如股骨和肱骨）長(zhǎng)軸末端，頜骨中幾乎都是黃骨髓。豐富的血供是新骨生成的必要條件，紅骨髓中富含間充質(zhì)細(xì)胞且血運(yùn)充足，股骨頜骨中紅黃骨髓的血供差異可能會(huì)直接影響種植體周新骨的形成［10］。

3 頜骨和股骨的骨代謝情況

骨組織內(nèi)細(xì)胞的復(fù)雜代謝活動(dòng)影響骨形成和骨改建過(guò)程，骨代謝的穩(wěn)定依賴于各種細(xì)胞的平衡。

3.1 BMSCs

BMSCs 具有多向分化潛能，在不同的條件下可以成骨、成軟骨、成脂以及成肌分化等。在骨缺損動(dòng)物模型中，植入同時(shí)，BMSCs 還能分泌一系列細(xì)胞因子，如骨保護(hù)素、核因子κB 受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor- κB ligand，RANKL）、巨噬細(xì)胞集落刺激因子等，從而調(diào)節(jié)骨代謝活動(dòng)。不同發(fā)育來(lái)源和結(jié)構(gòu)的頜骨和股骨可能由于其潛在的細(xì)胞和分子機(jī)制的不同對(duì)刺激反饋有別。不同部位來(lái)源的BMSCs 在增殖和成骨分化潛能方面也有差別［11-13］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，下頜骨來(lái)源的BMSCs 增殖速度快，形成大的細(xì)胞集落。成骨分化中，下頜骨BMSCs 表現(xiàn)出更強(qiáng)的堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性，以及ALP 和骨鈣蛋白（osteocalcin，OCN）mRNA 表達(dá)。體內(nèi)異位成骨實(shí)驗(yàn)表明，與長(zhǎng)骨BMSCs 相比，下頜骨BMSCs 形成更大的骨結(jié)節(jié)，其鈣化成骨也高于長(zhǎng)骨BMSCs 組。股骨和脛骨均是四肢骨中的長(zhǎng)骨，其BMSCs 增殖分化能力與成骨潛能可能類似［13］。Bugue?o 等［14］的研究驗(yàn)證了這一點(diǎn)，在犬類的動(dòng)物模型中，下頜骨BMSCs 增殖能力更強(qiáng)，相對(duì)于股骨BMSCs 而言是高度成骨的。頜骨和股骨BMSCs 的增殖能力與成骨潛能的不同可能是造成相應(yīng)部位骨重建和骨修復(fù)的潛在差異的重要原因。

3.2 成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞

成骨細(xì)胞對(duì)成骨過(guò)程的影響首先表現(xiàn)在類骨質(zhì)（osteoid）的形成，礦化后形成新生骨組織。另一方面，成骨細(xì)胞可以通過(guò)分泌成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子，胰島素樣生長(zhǎng)因子、破骨細(xì)胞刺激因子等，來(lái)調(diào)節(jié)骨組織的生成、吸收和代謝。研究顯示，大鼠股骨來(lái)源的成骨細(xì)胞成骨潛力更強(qiáng)，而下頜骨來(lái)源的成骨細(xì)胞更多地表現(xiàn)為促血管生成的作用［15］。Yang 等［15］發(fā)現(xiàn)股骨來(lái)源的成骨細(xì)胞表現(xiàn)出更高的ALP 活性，其基質(zhì)礦化程度增加同時(shí)成骨相關(guān)標(biāo)記基因的表達(dá)也更多。但有趣的是，下頜骨來(lái)源的成骨細(xì)胞表現(xiàn)出最高的增殖速率，血管生成相關(guān)因子的表達(dá)升高。與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的共培養(yǎng)結(jié)果顯示，下頜骨來(lái)源的成骨細(xì)胞表現(xiàn)出更強(qiáng)的促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移和管狀結(jié)構(gòu)形成的作用，這與之前的結(jié)果矛盾，可能是下頜骨的骨量增加主要是由成骨細(xì)胞生成增加，而成骨細(xì)胞礦化活性的升高不明顯所導(dǎo)致。

盡管破骨細(xì)胞在不同部位的骨組織中有著相似的作用，但其存在多樣性和異質(zhì)性。一方面，不同來(lái)源的破骨細(xì)胞表現(xiàn)出形態(tài)和體積上的差異。研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠中盡管頜骨和股骨來(lái)源的破骨細(xì)胞之間的表面積無(wú)明顯差異，但頜骨來(lái)源的破骨細(xì)胞細(xì)胞核的數(shù)量顯著較少，吸收骨質(zhì)時(shí)形成凹陷的表面積和體積也相對(duì)較?。?6］。另一方面，早期研究表明，不同部位的骨組織再吸收和機(jī)械性能的功能差異可能是蛋白質(zhì)組成不同導(dǎo)致的結(jié)果［17］。另外，來(lái)自不同骨部位的破骨細(xì)胞似乎對(duì)某些細(xì)胞因子的反應(yīng)不同。在RANKL 表達(dá)缺陷小鼠中，T 細(xì)胞和B 細(xì)胞的轉(zhuǎn)基因誘導(dǎo)的RANKL 表達(dá)促進(jìn)了長(zhǎng)骨中的破骨細(xì)胞形成，在頜骨中表達(dá)RANKL 的T 細(xì)胞和B 細(xì)胞不能激活頜骨中的骨吸收。目前這種異質(zhì)性發(fā)生的機(jī)制尚未闡明，有研究表明破骨細(xì)胞的異質(zhì)性可能來(lái)源于成骨細(xì)胞誘導(dǎo)形成破骨細(xì)胞不同方式。

3.3 巨噬細(xì)胞及其他免疫細(xì)胞

當(dāng)骨組織受到炎癥和異物刺激時(shí)，巨噬細(xì)胞可以活化游走，發(fā)揮免疫屏障作用。雙膦酸鹽骨壞死（bisphosphonate-related osteonecrosis，BRON）與其他頜骨感染相比，巨噬細(xì)胞標(biāo)記物的表達(dá)有所差異，可能是雙膦酸鹽藥物對(duì)巨噬細(xì)胞免疫抑制。研究發(fā)現(xiàn)，在BRON 等代謝相關(guān)疾病中，股骨的表現(xiàn)較頜骨輕，這可能是由于股骨來(lái)源的巨噬細(xì)胞對(duì)雙膦酸鹽的敏感性低，受到的免疫抑制較小所導(dǎo)致［18］。其他研究表明通過(guò)巨噬細(xì)胞極化，可以改善種植體表面的骨結(jié)合。這種調(diào)節(jié)方式可能也存在部位特異性［19］。BRON 作為一種特異性的骨組織病理性變化，可能與BMSCs 的骨骼部位特異性成骨特性相關(guān)［20］，但目前其作用機(jī)制尚未闡明。此外，其他免疫細(xì)胞如淋巴細(xì)胞、漿細(xì)胞以及肥大細(xì)胞，都與種植體周圍新骨的形成有著密切的關(guān)系。

4 結(jié) 語(yǔ)

股骨由于其表層解剖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，更常被作為臨床前研究中構(gòu)建骨缺損或種植體植入位點(diǎn)，在許多口腔醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究中甚至替代了頜骨模型。對(duì)于種植體植入模型而言，選擇不同的植入位點(diǎn)可能會(huì)因此出現(xiàn)程度不同的骨結(jié)合，然而，造成差異的具體機(jī)制尚未完全明確。進(jìn)一步深入探究不同部位骨作為植入位點(diǎn)導(dǎo)致骨結(jié)合出現(xiàn)差異的細(xì)胞學(xué)及分子學(xué)基礎(chǔ)尤為重要，有望為種植臨床骨結(jié)合不良的相關(guān)病例的治療提供新的思路和策略。