脛骨橫向骨搬移技術(shù)再生機(jī)制及臨床應(yīng)用的研究進(jìn)展

盧錫欽,田軍

(1.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)，哈爾濱 150000； 2.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨外九科，哈爾濱 150000)

20世紀(jì)50年代，Ilizarov[1]發(fā)現(xiàn)，向同一方向持續(xù)緩慢牽拉骨、神經(jīng)、肌肉、血管的過程能夠刺激上述組織的再生，并將該現(xiàn)象稱為“張力-應(yīng)力法則”，并在該基礎(chǔ)上發(fā)展成Ilizarov技術(shù)。隨后的動物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，穩(wěn)定緩慢應(yīng)力牽拉區(qū)域的血管網(wǎng)會出現(xiàn)再生狀態(tài)，加快創(chuàng)面的愈合[2-3]。Barker等[4]的臨床實(shí)踐證實(shí)，牽拉可促進(jìn)骨折不愈合患者的骨骼、神經(jīng)、血管和肌肉的生長。因此，Ilizarov技術(shù)被廣泛應(yīng)用于臨床，如在創(chuàng)傷骨科、矯形骨科、肢體延伸方面均有不錯的效果。20世紀(jì)90年代，Ilizarov技術(shù)開始在中國應(yīng)用，潘少川等[5]應(yīng)用Ilizarov技術(shù)成功治療了17例脛骨假關(guān)節(jié)和骨缺損患者。秦泗河[7]進(jìn)一步完善了脛骨橫向骨搬移技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了骨的再生，還實(shí)現(xiàn)了血管、神經(jīng)的再生。曲龍[6]提出，將Ilizarov技術(shù)用于下肢缺血性疾病，并在Ilizarov技術(shù)器械基礎(chǔ)上，改良研發(fā)了手術(shù)器械，設(shè)計(jì)了手術(shù)方案。骨搬移微血管網(wǎng)再生技術(shù)在借鑒骨搬移技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生[8]。目前脛骨橫向骨搬移技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，臨床應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。現(xiàn)就脛骨橫向骨搬移技術(shù)機(jī)制及臨床應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

1 脛骨橫向骨搬移的機(jī)制

1.1骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone mophorgenetic protein，BMP)促使骨的再生 脛骨橫向骨搬移將牽拉區(qū)域的緩慢持續(xù)應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)樯镄盘?，促使了牽拉區(qū)域骨組織的再生，達(dá)到修復(fù)目的。Rauch等[3]在兔的脛骨截骨搬移過程中發(fā)現(xiàn)，搬移牽拉區(qū)域的BMP-2、BMP-4和BMP-7均高表達(dá)。BMP可以通過Smad分子介導(dǎo)后作用于Runx2，Runx2介導(dǎo)阻斷肌源性分化，并誘導(dǎo)C2C12多能間充質(zhì)前體細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，進(jìn)而促進(jìn)牽拉區(qū)域骨的再生[9]。此外，轉(zhuǎn)錄因子Runa2和骨的分化及骨骼的塑形有重要關(guān)系，且BMP-2可大幅度增強(qiáng)其表達(dá)[10]。

BMP-2主要通過Smads/Runx2和Smads/Msx2兩個信號通路傳導(dǎo)[11-12]。BMP-2與成骨細(xì)胞膜上的BMP-2受體(即絲氨酸/蘇氨酸激酶受體)結(jié)合，使細(xì)胞內(nèi)的Smad1、Smad5、Smad8磷酸化，并與Smad4形成smad復(fù)合物，進(jìn)而調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄，使Runx2、Sox9等因子表達(dá)上調(diào)，其中Smad復(fù)合物通過結(jié)合Runx2的C端和核基質(zhì)傳導(dǎo)信號的結(jié)合域增強(qiáng)Runx2的表達(dá)，Smad復(fù)合物可使Sox9因子磷酸化，進(jìn)而降低叉頭框蛋白O1的活性，而叉頭框蛋白O1的活性與細(xì)胞增殖呈負(fù)相關(guān)，Smad復(fù)合物還可以直接和DNA結(jié)合，激活成骨細(xì)胞活性[13-14]。以增強(qiáng)成骨細(xì)胞的功能、活性，進(jìn)而促使骨組織再生。BMP-4可通過核糖體蛋白S6激酶刺激成骨細(xì)胞合成血管內(nèi)皮生長因子[15]。而血管內(nèi)皮生長因子是一種促進(jìn)血管發(fā)生的因子，能夠促使?fàn)坷瓍^(qū)域的血管再生。BMP-4還可以調(diào)節(jié)M2型巨噬細(xì)胞極化，改善炎癥微環(huán)境，分泌BMP-2[16]。BMP-7能夠調(diào)節(jié)胰島素分泌并改善胰島素敏感性，進(jìn)而降低機(jī)體血糖水平，但具體機(jī)制尚需進(jìn)一步研究[17]。根據(jù)脛骨橫向骨搬移術(shù)后BMP的表達(dá)制訂術(shù)后脛骨橫向骨搬移方案，除主要的促使骨組織再生能力外，BMP還有一定的促血管再生及調(diào)節(jié)血糖作用，目前關(guān)于脛骨橫向骨搬移技術(shù)機(jī)制的基礎(chǔ)研究較少，其機(jī)制仍需要更多的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步明確。

1.2骨髓源干細(xì)胞促使創(chuàng)面修復(fù) 間充質(zhì)干細(xì)胞、造血干細(xì)胞、內(nèi)皮干細(xì)胞等骨髓源干細(xì)胞可以遷移到機(jī)體損傷部位并發(fā)揮作用，其生物學(xué)行為調(diào)節(jié)通路有磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B和促分裂原活化的蛋白激酶等[18]。有研究表明，脛骨橫向骨搬移術(shù)后趨化因子基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1、CXC趨化因子受體4、骨髓源干細(xì)胞水平較術(shù)前明顯升高[19]，可見脛骨橫向骨搬移期間，牽拉區(qū)域的力學(xué)刺激使骨髓源干細(xì)胞向潰瘍創(chuàng)面遷移，并調(diào)控其分化，表明牽拉區(qū)域內(nèi)的骨髓源干細(xì)胞成活躍狀態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，骨髓源干細(xì)胞主要機(jī)制是通過基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1/CXC趨化因子受體4信號上調(diào)激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B通路，活化的蛋白激酶B首先磷酸化促凋亡蛋白的Ser136殘基，使其與B細(xì)胞淋巴瘤-2結(jié)合降低，進(jìn)而抑制細(xì)胞凋亡；此外，活化的蛋白激酶B激活糖原合成酶激酶3，參與細(xì)胞的增殖、分化和血糖調(diào)控[20]?；罨牡鞍准っ窧還可以使叉頭框蛋白O1磷酸化，無法和DNA結(jié)合，在此期間B細(xì)胞淋巴瘤-2/B細(xì)胞淋巴瘤-2相關(guān)X蛋白比值上調(diào)，表明細(xì)胞的抗凋亡能力增強(qiáng)，有助于創(chuàng)面的修復(fù)[21]。同時，間充質(zhì)干細(xì)胞還是一種機(jī)體內(nèi)多能干細(xì)胞。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可減少1型樹突狀細(xì)胞分泌腫瘤壞死因子-α，增加成熟的2型樹突狀細(xì)胞分泌白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-10，使幼稚效應(yīng)性T細(xì)胞減少γ干擾素的分泌，增加IL-4的分泌[22]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞還具有高度自發(fā)的殺菌活性，可分泌可溶性因子，能夠抑制金黃色葡萄球菌細(xì)胞膜的形成，這種殺菌能力可抑制局部炎癥，有利于創(chuàng)面恢復(fù)[23-24]。另有研究表明，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以分泌血小板衍生生長因子B和成纖維細(xì)胞生長因子2及血管內(nèi)皮生長因子等，其可以通過激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B或黏著斑激酶/胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2信號通路增強(qiáng)各種皮膚細(xì)胞的增殖和遷移能力[25]。由此可見，骨髓源干細(xì)胞不僅在創(chuàng)面修復(fù)過程中發(fā)揮重要作用，還對局部微環(huán)境有一定的抗炎能力。

1.3重建巨噬細(xì)胞的極化平衡 巨噬細(xì)胞在不同的條件下可以極化成不同的類型，包括M1型巨噬細(xì)胞和M2型巨噬細(xì)胞[26]。M1型巨噬細(xì)胞具有很強(qiáng)的微生物殺傷力，但易破壞自身組織；M2型巨噬細(xì)胞又稱替代性活化巨噬細(xì)胞，與機(jī)體的組織重塑、血管生成有密切聯(lián)系[27]。在糖尿病足潰瘍創(chuàng)面上，巨噬細(xì)胞趨向于M1型極化，而M1型巨噬細(xì)胞數(shù)量和比例增多導(dǎo)致創(chuàng)面愈合困難[28]。高偉等[29]發(fā)現(xiàn)，實(shí)施脛骨橫向骨搬移術(shù)糖尿病足患者的M2型巨噬細(xì)胞數(shù)量和比例明顯增多。

巨噬細(xì)胞的極化通路有很多種，其中誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M1型極化的因素包括脂多糖、γ干擾素和腫瘤壞死因子[30],γ干擾素的減少可使M1型極化減少，也與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分泌γ干擾素有關(guān)。而IL-4、IL-10、IL-13與M2型巨噬細(xì)胞激活有關(guān)，當(dāng)搬移牽拉刺激細(xì)胞后，IL-4、IL-13與細(xì)胞膜上的受體結(jié)合成二聚化受體，該受體通過Janus激酶家族-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子6信號通路和胰島素受體家族-磷脂酰肌醇-3-激酶信號通路誘導(dǎo)M2型巨噬細(xì)胞的激活[31]。IL-10與膜受體結(jié)合，激活JAK激酶和酪氨酸激酶2，從而磷酸化轉(zhuǎn)錄因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子，之后兩者聚合形成二聚體進(jìn)入細(xì)胞核促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄，使M2型巨噬細(xì)胞激活。早期，M1型巨噬細(xì)胞可以分泌IL-1、腫瘤壞死因子-α和γ干擾素，上述因子通過與其受體結(jié)合上調(diào)CD36，進(jìn)而發(fā)揮抗菌作用，并通過正反饋促使M1型巨噬細(xì)胞極化[32]。有研究表明，M1型巨噬細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞共同培養(yǎng)時，BMP-2和Runx2顯著上調(diào)[33]，由此可見，除抗炎作用外，M1型巨噬細(xì)胞還能通過BMP-2的機(jī)制通路促使骨組織的再生。晚期，M2型巨噬細(xì)胞可分泌BMP-2，而BMP-2則通過上述機(jī)制參與骨組織再生，并通過分泌轉(zhuǎn)化生長因子-β1等營養(yǎng)因子實(shí)現(xiàn)對胰島β細(xì)胞增殖的調(diào)控；M2型巨噬細(xì)胞釋放的Wnt配體通過Wnt信號通路的傳導(dǎo)增強(qiáng)β細(xì)胞復(fù)制，并通過IL-10的抗炎作用維持胰島素敏感性，使機(jī)體正常分泌胰島素，以降低血糖[34]，而轉(zhuǎn)化生長因子-β1還能通過轉(zhuǎn)化生長因子-β1-smad和促分裂原活化的蛋白激酶通路刺激成纖維細(xì)胞，使其分泌細(xì)胞外基質(zhì)用于形成瘢痕組織，這些因子同樣正反饋向M2型巨噬細(xì)胞極化[35]?？梢?，上述各機(jī)制之間存在密切聯(lián)系，共同發(fā)揮作用，促進(jìn)骨再生及調(diào)節(jié)血糖，如過氧化物酶體增殖物激活受體、肌醇磷酸酶、Galectin-3等可能作為增強(qiáng)脛骨橫向骨搬移技術(shù)靶向治療效果的方向之一。

2 脛骨橫向骨搬移技術(shù)的臨床應(yīng)用

2.1脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療骨缺損 導(dǎo)致骨缺損的因素很多，包括創(chuàng)傷、感染、腫瘤和先天性疾病等。隨著交通事業(yè)發(fā)展，脛骨創(chuàng)傷性損傷的發(fā)生率逐年增加，脛骨特殊的解剖結(jié)構(gòu)及較差的局部血供導(dǎo)致脛骨骨折術(shù)后感染易發(fā)，出現(xiàn)骨不連、骨缺損等并發(fā)癥[36]。最初，Ilizarov技術(shù)主要應(yīng)用于骨不連和骨缺損，在患者骨缺損治療中發(fā)揮重要作用[37]。脛骨橫向骨搬移技術(shù)作為Ilizarov技術(shù)的延伸，用于骨缺損治療的效果亦較好。Fahad等[38]的研究顯示，采用脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療脛骨骨不連合并感染患者術(shù)后Ilizarov技術(shù)研究與應(yīng)用學(xué)會骨功能評分的優(yōu)良率較高，認(rèn)為脛骨橫向骨搬移技術(shù)能夠?yàn)楦腥舅鹿侨睋p提供穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境，有助于促使骨的再生，但需要注意避免針道感染。骨腫瘤切除后骨缺損一直是臨床治療的難題，脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療腫瘤術(shù)后骨缺損時，在腫瘤完全切除、患肢功能恢復(fù)及術(shù)后生存率提高方面的效果均較好[39]。因此，脛骨橫向骨搬移技術(shù)已作為創(chuàng)傷、感染和腫瘤所致骨缺損的治療金標(biāo)準(zhǔn)之一。

為了提高治療質(zhì)量，通過比較脛骨橫向骨搬移技術(shù)聯(lián)合髓內(nèi)釘(或鋼板)與單純脛骨橫向骨搬移治療脛骨缺損的效果發(fā)現(xiàn)，與單一脛骨搬移組相比，聯(lián)合髓內(nèi)釘(或鋼板)組的治療周期縮短、并發(fā)癥較少[40]。此外，張力等[41]報道，經(jīng)脛骨近端截骨治療后，膝骨性關(guān)節(jié)炎患者膝內(nèi)翻及足底負(fù)重均明顯改善。近年來，隨著微創(chuàng)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)微創(chuàng)Ilizarov外固定技術(shù)治療脛骨外露伴骨缺損的愈合指數(shù)和骨延長長度均明顯優(yōu)于較微創(chuàng)Orthofix外固定技術(shù)，并可降低骨偏移的發(fā)生率[42]。由此可見，脛骨橫向骨搬移技術(shù)能夠有效治療不同原因?qū)е碌拿劰枪侨睋p，隨著手術(shù)方法的不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展、治療效果逐漸提高。

2.2脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療血栓閉塞性脈管炎 血栓閉塞性脈管炎又稱Buerger病，是一種非動脈粥樣硬化的節(jié)段性炎癥病變，最常見于下肢中小型動脈、靜脈和神經(jīng)，晚期患肢出現(xiàn)靜息痛甚至壞疽等，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，截肢率高達(dá)24%[43]。既往血栓閉塞性脈管炎的治療主要包括藥物治療、介入治療和手術(shù)治療等，上述治療對以大血管阻塞為主的病變的治療效果較好，但不能改善微循環(huán)障礙患者的癥狀及結(jié)局[44]。曲龍[6]利用脛骨橫向骨搬移技術(shù)成功治療血栓閉塞性脈管炎患者，發(fā)現(xiàn)脛骨橫向骨搬移技術(shù)可以促使微血管再生，為遠(yuǎn)端微血管障礙的下肢缺血患者的治療帶來了新的希望。胡釗等[45]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)脛骨橫向骨搬移治療血栓閉塞性脈管炎患者術(shù)后肢體缺血、靜息痛和間歇性跛行等癥狀均明顯改善，認(rèn)為脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療血栓閉塞性脈管炎的療效確切，表明脛骨橫向骨搬移技術(shù)可以提高血栓閉塞性脈管炎患者術(shù)后創(chuàng)面愈合率、降低截肢率。脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療下肢缺血性疾病時，可通過將搬移的力學(xué)刺激轉(zhuǎn)化為生物學(xué)信號，從而促使微血管網(wǎng)的再生，但對于膝以上大中血管的治療效果較差[46]。介入方法可疏通大中血管，治療后患者髂動脈及脛前、后動脈恢復(fù)良好，而骨搬移技術(shù)可促使微循環(huán)再生，有效治療大中血管閉塞，患肢遠(yuǎn)端微循環(huán)也得到改善。與單純介入治療相比，介入聯(lián)合骨搬移治療下肢缺血性疾病的遠(yuǎn)期效果(皮溫、生理功能、健康狀況等評分)明顯優(yōu)于單純介入治療[47]?？梢?，脛骨橫向骨搬移技術(shù)可有效治療微循環(huán)障礙的血栓閉塞性脈管炎，對于合并大中血管閉塞的患者，聯(lián)合介入手術(shù)能夠明顯提高患者生活質(zhì)量，避免截肢的發(fā)生，但手術(shù)方案目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

2.3脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療糖尿病足 糖尿病足是糖尿病的晚期并發(fā)癥之一，患肢遠(yuǎn)端血管缺血、神經(jīng)病變等導(dǎo)致下肢感染、潰瘍形成和(或)深部組織破壞[48]。糖尿病足發(fā)病率約為25%[49]。以往針對糖尿病足的治療，除必要的內(nèi)科治療外，外科治療手段主要包括清創(chuàng)術(shù)、植皮術(shù)、皮瓣移植術(shù)等，但療效欠佳[50]。鑒于脛骨橫向骨搬移技術(shù)的血管組織、骨組織等的再生機(jī)制，花奇凱等[51]將脛骨橫向骨搬移技術(shù)應(yīng)用于糖尿病足的治療，顯著提高了創(chuàng)面愈合率、保肢率，療效較好，表明脛骨橫向骨搬移技術(shù)可以使糖尿病足潰瘍創(chuàng)面局部的微血管再生，并可以促使創(chuàng)面修復(fù)。羅艷霞等[52]比較分析脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療的糖尿病足患者術(shù)前術(shù)后的周圍神經(jīng)感知情況發(fā)現(xiàn)，術(shù)后3個月神經(jīng)感知未恢復(fù)者僅占24.19%，其余患者均有改善或完全恢復(fù)，表明脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療糖尿病足時，不僅促使了微循環(huán)的重建，還對神經(jīng)再生有一定的作用。中國骨科醫(yī)師協(xié)會提出脛骨橫向骨搬移技術(shù)適用于Wagner 3級以上的患者，且腘動脈以下必須有動脈血運(yùn)通暢達(dá)踝平面[53]。因此，針對患肢遠(yuǎn)端動脈血運(yùn)較差的糖尿病足患者，先行近端大血管介入治療后，再行脛骨橫向骨搬移技術(shù)搬移骨塊，以促使局部微血管再生，改善末梢血運(yùn)循環(huán)，修復(fù)潰瘍創(chuàng)面[54]。糖尿病足患者病程遷延，往往會出現(xiàn)其他疾病。脛骨橫向骨搬移技術(shù)對于Wagner 3級以上糖尿病足且合并全身性炎癥反應(yīng)綜合征患者仍有較好的效果[55]。武黎黃英[56]應(yīng)用脛骨橫向骨搬移技術(shù)治療糖尿病足患者，創(chuàng)面愈合率和保肢率均達(dá)到99%，且治愈了患者伴發(fā)的骨髓炎，表明脛骨橫向骨搬移技術(shù)不僅能促進(jìn)創(chuàng)面愈合、神經(jīng)功能恢復(fù)，在治療糖尿病足相關(guān)并發(fā)癥方面也有一定效果。

近年來，將脛骨橫向骨搬移技術(shù)和其他方法結(jié)合治療糖尿病足取得了不錯的療效。劉向東等[57]將3D打印技術(shù)和脛骨橫向骨搬移技術(shù)結(jié)合，有效地縮短了手術(shù)時間，減少了術(shù)中軟組織暴露，術(shù)中操作更加精準(zhǔn)，失血量減少。武延朋[58]將脛骨橫向骨搬移技術(shù)和自體富血小板血漿聯(lián)合發(fā)現(xiàn)，術(shù)后患者皮溫、疼痛評分均優(yōu)于單純脛骨橫向骨搬移組，且愈合時間縮短。由此可見，脛骨橫向骨搬移技術(shù)聯(lián)合其他技術(shù)可以提高脛骨橫向骨搬移的治療效果，但是此類研究仍處于初期探索階段，臨床病例較少，有效性及相關(guān)并發(fā)癥需要更多的研究支持。

3 小 結(jié)

脛骨橫向骨搬移技術(shù)為血栓閉塞性脈管炎、糖尿病足等疾病的治療提供了新的手段，且具有手術(shù)時間短、創(chuàng)傷小、費(fèi)用低、術(shù)后恢復(fù)快、效果顯著等優(yōu)勢，可有效提高保肢率和創(chuàng)面愈合率；但存在治療周期較長、療效對患者配合度依賴程度高、術(shù)后脛骨截骨區(qū)易繼發(fā)骨折、局部皮膚壞死等，影響治療效果，且存在術(shù)后復(fù)發(fā)可能，因此，縮短搬移時間和減少并發(fā)癥發(fā)生是未來研究的重點(diǎn)。目前，脛骨橫向骨搬移技術(shù)在下肢缺血性疾病治療上已取得顯著成效；完善基礎(chǔ)研究、制訂翔實(shí)的手術(shù)方案以及開展多中心臨床研究有助于促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展。