顱骨游離骨瓣移植后成活機制的研究進展

馬倫昆 張智勇

【提要】 在顱頜面外科及神經(jīng)外科領域，顱骨游離骨瓣的應用較為廣泛?？汕袛囡B骨的固有血供，將游離的顱骨骨瓣重新排列，以重塑發(fā)育畸形的顱腔。游離顱骨瓣也可用于因去顱瓣減壓術或創(chuàng)傷等引起的顱骨缺損的修補。顱骨瓣移植后的愈合及成骨是一個復雜的過程，多種因素參與并影響了這一過程。本文就游離顱骨瓣移植后的成活機制及相關影響因素進行文獻綜述。

顱面外科發(fā)展的一個重要理論基礎：眼眶、顱骨或顴骨可以被切斷，使其與固有血供完全分離，并重新放置游離骨瓣，而不至發(fā)生骨的壞死及骨量的丟失[1]。這表明顱骨具有獨一無二的骨愈合能力。游離顱骨骨瓣的臨床應用也較為廣泛，在顱面外科手術中，通常需要將畸形的顱骨取出塑形并重新排列，盡管這些非血管化的游離顱骨移植物被切斷了其固有血供，但移植的顱骨瓣能夠恢復活力，并保持長期的結構穩(wěn)定。此外，嚴重的顱腦損傷、腦卒中和腦腫瘤等造成顱內(nèi)壓增高時常常需要行去顱骨瓣減壓術，由此造成的顱骨缺損需進行二期手術修補，而自體顱骨瓣是最佳的顱骨缺損修補材料。Zanotti等[2]評估了顱骨成形術中所使用的材料，指出自體顱骨由于其生物學及遺傳學上的相容性、相對較強的抗感染能力、較強的硬度，以及用于兒童時自體顱骨有望隨年齡增長而同步生長等優(yōu)點，應成為顱骨成形術的首選材料。楊紀明等[3]研究了65例采用自體顱骨進行顱骨修補術的患者，結果顯示所有患者均一期愈合，表明自體顱骨修復顱骨缺損安全可靠，在顱骨修補中具有較高的應用價值。游離顱骨骨瓣在顱頜面外科及神經(jīng)外科都有較為廣泛的應用，且術后具有較高的移植物成活率及體積保存率。本文就游離顱骨骨瓣移植后的愈合成骨過程及相關影響因素進行綜述，為臨床應用提供參考。

1 游離顱骨骨瓣移植后的愈合及成骨機制

任何類型的骨移植都是通過3種可能的機制完成骨愈合及骨再生的，即直接成骨、骨傳導和骨誘導[4]。

直接成骨是指移植物中的成骨細胞形成類骨質(zhì)進而形成骨，當移植物中存在成活的成骨細胞或成骨前體細胞(干細胞)時，會發(fā)生成骨過程，因此自體骨是唯一具有成骨性能的移植材料。骨傳導是指毛細血管和骨祖細胞從受體部位向移植材料中遷移生長，移植骨逐步被新骨取代，移植物被吸收[5]；此過程中，自體骨起到了細胞遷移、血管生成和建立瞬時基質(zhì)的支架作用，使血管、成骨細胞和干細胞能夠向移植物內(nèi)生長，從而與宿主骨發(fā)生愈合，當植入低活力或低細胞密度(如皮質(zhì)骨)的自體骨時就是這種情況。骨誘導成骨是指干細胞從宿主床招募到移植物部位，通過生物化學轉化和刺激分化成為成骨細胞進而形成骨的過程，骨形態(tài)發(fā)生蛋白是已知的最好的骨誘導劑。Franceschi等[6]認為，在骨誘導機制中，骨形態(tài)發(fā)生蛋白可早期誘導骨膜的修復或重建、骨表面血管化和毛細血管逐漸向骨深部延伸。

在非血管化的游離塊狀移植骨中，骨細胞常由于包裹在礦物質(zhì)基質(zhì)中以及血供的中斷而死亡，而移植骨內(nèi)存活的少量成骨細胞以及干細胞可通過成骨作用形成新骨。另外，礦物質(zhì)吸收過程中釋放的骨形成蛋白和胰島素生長因子等通過骨誘導機制以及移植物本身作為框架的骨傳導作用形成新骨。因此，游離塊狀移植骨的愈合及新骨形成大部分是通過鄰近骨緣的骨誘導和骨傳導機制，小部分則通過存活的細胞直接成骨[7]。

Shand等[8]研究了新鮮冷凍同種異體顱骨與自體顱骨移植修復兔顱骨缺損，結果顯示，在所有移植物的整個標本中都有新生血管生成，新生骨存在于骨內(nèi)膜和骨膜表面以及移植物內(nèi)的島狀結構；組織學和熒光標記顯示移植物中央有多個新骨區(qū)域形成。研究認為，異體移植物也是通過骨傳導和骨誘導過程與宿主骨結合在一起。

自體骨移植的愈合及成骨機制是一致的，與供骨部位無關。然而，移植物的愈合率和最終的骨形成量隨供體部位和來源的不同而不同。顱骨、面骨、鎖骨和頜骨是膜內(nèi)成骨，這些骨骼的發(fā)育、生長和愈合是通過間充質(zhì)細胞的直接骨化來實現(xiàn)的，而其他部位的骨骼則是通過軟骨內(nèi)骨化過程從預先形成的軟骨中產(chǎn)生的。Zins等[9]在兔和猴的顱面區(qū)域自體骨移植試驗中發(fā)現(xiàn)，膜骨比軟骨內(nèi)骨能在更大程度上保持其體積且具有更大比例的活骨成分。Kusiak等[10]認為膜骨移植物更大程度地保持其體積和活性是由于發(fā)生了快速而廣泛的血管化。

2 硬腦膜及顱骨膜對游離顱骨瓣移植的影響

顱骨骨瓣移植受體部位的某些局部因素具有成骨潛力，硬腦膜和顱骨骨膜已被證明具有一定的成骨作用，硬腦膜是促進顱骨血運重建和骨愈合的主要因素。

Hopper等[11]在研究硬腦膜和顱骨膜對新鮮顱骨移植影響的動物實驗中，以硅膠片將顱骨移植物與硬腦膜或骨膜隔離，10周后取材進行移植物的表面積、形態(tài)學、定量組織學、熒光染色及血運重建分析。結果顯示，與未隔離的對照組移植物相比，隔離硬腦膜或骨膜的兔自體顱骨移植物在血管計數(shù)、骨結合以及成熟骨的橫截面積等方面都顯著減少。此外，他們確定了硬腦膜和骨膜除了成骨之外的另一種作用，即主動(通過產(chǎn)生生長因子)或被動引導來自相鄰顱骨骨髓的成骨和血管生成成分穿過界面。Gosain等[12]評估了硬腦膜和顱骨膜分別對新鮮的(含成活成骨細胞)和經(jīng)過冷凍的(成骨細胞已失活)顱骨移植物存活的影響，結果表明顱骨具有獨特的生物環(huán)境，使其成為一個優(yōu)良的骨移植受區(qū)，經(jīng)過冷凍的顱骨雖然缺乏成活的成骨細胞，但仍可成功地結合到顱骨中，且仍有新骨形成。因此，與硬腦膜和顱骨膜的接觸有助于顱骨骨瓣的成骨，硬腦膜可以促進新鮮和冷凍的顱骨移植物的成骨，而顱骨膜只能促進含有成活骨細胞的新鮮移植物在顱周表面的成骨，硬腦膜則是促進顱骨移植物存活及成骨的主要原因。

Power等[13]的研究表明，在血管化及非血管化的游離顱骨移植的模型中，血管化移植物的愈合主要通過骨島形成(80%)，而游離移植物的愈合主要發(fā)生在缺損邊緣(70%)；認為非血管化的游離顱骨移植的改建和血運重建可能成為主導過程，從而使硬腦膜成骨修復顱骨缺損的效率降低。

硬腦膜及顱骨膜的成骨能力與年齡相關。動物實驗表明，未成熟動物的硬腦膜及顱骨膜的成骨能力強于成熟動物[14-15]。有研究評估了與硬腦膜成骨能力相關的分子機制，包括轉化生長因子-β1、堿性成纖維細胞生長因子、Ⅲ型膠原蛋白、骨鈣素和堿性磷酸酶等成骨的關鍵生長因子和細胞外基質(zhì)蛋白。實驗證明，與成熟硬腦膜相比，未成熟的硬腦膜細胞比成熟的硬膜細胞增殖更快，產(chǎn)生更多的轉化生長因子-β1、核抗原、成纖維細胞生長因子-2與堿性磷酸酶，且未成熟硬腦膜細胞培養(yǎng)的轉化生長因子-β1、骨鈣素以及Ⅲ型膠原蛋白的基因表達含量較成熟硬腦膜分別增加了9倍、8倍和21倍。硬腦膜除了提供體液因子的基本環(huán)境外，未成熟的硬腦膜細胞還提供了顱骨再生所需的細胞成分，如成骨細胞，來增強成骨能力[16-17]。

3 細胞因子對顱骨移植愈合及存活的作用

顱骨中某些細胞因子可能促進了顱骨移植物的成活及愈合，并且使顱骨作為供骨組織時比其他部位骨組織具有更高的存活率。

胰島素樣生長因子(IGFs)可刺激骨細胞和成骨前體細胞的增殖以及成熟的成骨細胞合成基質(zhì)蛋白。轉化生長因子(TGF)是一種多功能生長因子，TGF-β已被證明具有刺激骨形成[18]和骨修復[19]作用。Finkelman等[20]認為顱骨中可能富含一種或多種在骨修復過程中起重要調(diào)節(jié)作用的生長因子，他們發(fā)現(xiàn)顱骨中的IGF-Ⅱ和TGF-β含量明顯高于髂骨或椎體骨，因此顱骨中這些生長因子濃度的增加可能是顱骨修復能力增強以及移植物存活率較高的原因。

基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)是一類鋅依賴的內(nèi)肽酶家族，在成骨、骨重建[21]以及其他組織重建過程中發(fā)揮作用。金屬蛋白酶組織抑制因子(TIMPs)通過形成非共價雙分子復合物使MMPs失活，阻止MMP原的活化，從而調(diào)節(jié)MMPs的活性，在骨形成和重塑過程中發(fā)揮了重要作用[22]。TIMP-1是其最主要的形式，能抑制大多數(shù)MMPs。在兔顱骨缺損模型中，Twitty等[23]檢測了TIMP-1在自體顱骨(起源于膜內(nèi))和股骨(起源于軟骨)骨移植模型中的時序表達模式，以了解TIMP-1對移植骨愈合的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在軟骨內(nèi)成骨骨移植物中，TIMP-1在移植后第1～3天有表達，而膜內(nèi)骨移植物直到第6～9天才有TIMP-1的表達。TIMP-1在軟骨內(nèi)成骨和膜內(nèi)成骨骨移植中的時間表達差異提示，植骨類型在影響宿主組織介導的愈合過程中起重要作用，移植骨新生血管生成需要MMPs來分解細胞外基質(zhì)，以允許內(nèi)皮細胞遷移。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，MMPs還可以分解移植骨、釋放細胞因子，TIMP-1在膜內(nèi)成骨骨移植物中的延遲表達能使膜內(nèi)成骨骨移植物更早發(fā)生血管化。

4 總結

游離顱骨移植物的愈合及成骨是一個復雜的過程，主要依賴于直接成骨、骨傳導及骨誘導三種機制，且有多種因素影響著這一過程。顱骨移植的獨特之處在于硬腦膜與顱骨膜參與且影響其愈合及成骨過程，其中硬腦膜起主要作用，是顱骨成為獨特的骨移植受區(qū)部位的主要原因。另外，與其他骨骼相比，顱骨中含有較豐富的胰島素樣生長因子(IGFs)及轉化生長因子(TGF)，這些因素共同促使顱骨瓣具有較高的存活率，成為優(yōu)良且獨特的骨移植物。臨床上游離顱骨移植的應用較為廣泛，在顱骨成形術中，最好的材料應該是術中即刻取出并妥善保存的自體顱骨瓣。只有充分了解顱骨愈合的相關機制及其影響因素，才能更好地應用這些輔助骨移植存活的因素來改善顱骨移植的長期效果。例如，在術中保證硬腦膜及骨膜的完整性(尤其是硬腦膜)、使用相關生長因子促進顱骨愈合、加強術中內(nèi)固定、增加移植物的接觸面積等措施。對于無法完整移植的骨瓣，可將其碎片化后進行回植，也可利用自體顱骨粉末加醫(yī)用人體纖維蛋白膠黏合劑修復顱骨缺損。但自體顱骨回植后的吸收及感染也時有發(fā)生，良好的軟組織覆蓋、避免感染是保證骨瓣愈合、減少吸收的重要手段；另外還需要探索出能夠更好地把離體游離骨瓣中活性成分保存下來的方法[24]，以保證用于回植的顱骨骨瓣的生理活性、再植術后顱骨的高愈合率，并降低骨吸收的概率。