骨組織工程聯(lián)合低能量激光療法修復(fù)骨缺損

張經(jīng)緯 王新濤

大段骨缺損的修復(fù)一直是臨床治療難點(diǎn)，而骨組織工程學(xué)的快速發(fā)展為這一類難題提供了新的解決思路與方法。低能量激光療法是一種兼具安全性與實(shí)用性的無創(chuàng)物理治療方法，具有促進(jìn)創(chuàng)口愈合與神經(jīng)修復(fù)、緩解疼痛與炎癥等多種生物學(xué)效應(yīng)[1]。近年來，越來越多的學(xué)者選擇將骨組織工程技術(shù)與臨床應(yīng)用相對成熟的低能量激光療法聯(lián)合，以突破骨組織工程技術(shù)臨床應(yīng)用的局限。

骨組織工程的三大組成部分為骨替代支架、種子細(xì)胞和生物活性因子[2]，其中支架為細(xì)胞提供了進(jìn)行各項(xiàng)生物學(xué)活動的環(huán)境與基礎(chǔ)。我們通常將骨替代支架分為無機(jī)支架、有機(jī)支架和混合支架，無機(jī)支架又可根據(jù)材料類別分為無機(jī)非金屬支架與無機(jī)金屬支架，有機(jī)支架則可根據(jù)材料來源分為人工有機(jī)支架與天然有機(jī)支架。

1 無機(jī)支架聯(lián)合低能量激光療法

1.1 無機(jī)非金屬支架

羥基磷灰石是目前骨替代支架材料中被研究最多的生物材料，它是成熟骨組織中含量最高的無機(jī)成分，具有良好的生物相容性與骨傳導(dǎo)性，但也具有降解緩慢的缺點(diǎn)。Theodoro等[3]對6例植入含50%羥基磷灰石骨替代支架患者于術(shù)區(qū)行波長830 nm的GaAlAs激光照射。他們發(fā)現(xiàn)，與非激光照射組的組織學(xué)結(jié)果對比，GaAlAs激光照射可明顯促進(jìn)支架降解，其原因可能是低能量激光療法促進(jìn)了局部血管的生成與舒張，繼而刺激炎癥細(xì)胞的遷移和代謝，最終導(dǎo)致支架降解速率提高。雖然低能量激光療法的加入有效改善了此種羥基磷灰石支架的不足，但該研究中未見830 nm波長的GaAlAs激光可促進(jìn)骨形成，這可能與光照設(shè)備具體參數(shù)的選擇有關(guān)。

生物玻璃是最具前景的生物活性陶瓷，其可在支架表面形成具有生物學(xué)活性的骨樣磷灰石層[4]以結(jié)合新生骨組織，提高支架植入成功率。Fernandes等[5]使用波長808 nm的GaAlAs激光對植入生物玻璃支架的大鼠脛骨缺損進(jìn)行照射。他們發(fā)現(xiàn)，低能量激光不僅能促進(jìn)支架降解，還可加速新骨形成，尤其在植入手術(shù)完成后的第6周，生物玻璃支架顯示出更充分的降解。Pinto等[6]也得出相同結(jié)論，即將波長830 nm的GaAlAs激光與生物硅酸鹽支架聯(lián)合應(yīng)用，可促進(jìn)支架周圍新骨形成。

1.2 無機(jī)金屬支架

無機(jī)金屬支架是目前臨床應(yīng)用最廣泛的骨替代支架，其具有出色的機(jī)械性能和生物相容性，但患者可能需要二次手術(shù)取出移植物，這會帶來再次創(chuàng)傷，也增加了圍手術(shù)期患者管理的難度。

de Vasconcellos等[7]使用波長780 nm的GaAlAs激光分別對植入鈦合金支架的健康大鼠與骨質(zhì)疏松大鼠進(jìn)行照射，發(fā)現(xiàn)低能量激光可以加速骨形成。不僅如此，他們還觀察到低能量激光也可以促進(jìn)皮膚切口愈合，這可以明顯縮短整體治療時(shí)間，并預(yù)防術(shù)后感染等并發(fā)癥發(fā)生。Theocharidou等[8]則發(fā)現(xiàn)，在波長660 nm的GaAlAs激光刺激下，鎂基陶瓷支架內(nèi)的牙髓干細(xì)胞表現(xiàn)出明顯的定向分化與礦化能力，并且激光照射組的RUNT相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runx-2）、堿性磷酸酶（ALP）等早期成骨指標(biāo)較對照組也顯著升高。由此可知，低能量激光在干細(xì)胞成骨分化的早期階段就可以產(chǎn)生有效的生物學(xué)刺激效應(yīng)。

2 有機(jī)支架聯(lián)合低能量激光療法

2.1 人工有機(jī)支架

人工合成有機(jī)高分子材料具有出色的生物可降解性，可以為新生骨提供充足有效的空間，因此該類材料也是骨組織工程支架的常用材料。Calis等[9]的實(shí)驗(yàn)研究表明，在波長600～1 200 nm范圍內(nèi)的低能量激光可以促進(jìn)封裝于甲基丙烯酸明膠水凝膠中的人脂肪源性干細(xì)胞的成骨分化。在骨組織工程中，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞為最常用的種子細(xì)胞，但脂肪源性干細(xì)胞因易于獲取且數(shù)量龐大，正成為骨組織工程研究的新熱點(diǎn)[10]。低能量激光具有提高脂肪源性干細(xì)胞等各類干細(xì)胞的生物學(xué)活性的能力，這對于本身不具備成骨能力的骨替代支架進(jìn)行了補(bǔ)充，有助于加速骨組織工程技術(shù)的臨床應(yīng)用。

隨著材料制造技術(shù)的發(fā)展，支架形式也隨之變化。Sabino等[11]將聚乳酸薄膜與660 nm的InGaAIP激光聯(lián)合，成功提高了成骨樣細(xì)胞MC3T3-E1的活力與增殖能力。Diniz等[12]將間充質(zhì)干細(xì)胞和人骨形態(tài)發(fā)生蛋白4加載至人工合成水凝膠中，在波長660 nm的InGaAlP的激光調(diào)節(jié)下，加速了干細(xì)胞的成骨分化與骨形成。隨著精準(zhǔn)醫(yī)療理念與技術(shù)的不斷發(fā)展，將出現(xiàn)更多根據(jù)患者骨缺損形狀及抗炎、抗感染不同要求特殊設(shè)計(jì)的骨替代支架，而低能量激光療法對缺損處組織結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生干擾的特點(diǎn)也降低了支架設(shè)計(jì)與使用時(shí)的難度。

2.2 天然有機(jī)支架

天然有機(jī)骨替代材料具有良好的生物相容性和機(jī)械強(qiáng)度，這為骨缺損修復(fù)提供了穩(wěn)定的力學(xué)支撐。?akmak等[13]開展研究，將取自家蠶的絲纖維蛋白制成支架，并聯(lián)合使用590～1 500 nm的多色激光系統(tǒng)照射人間充質(zhì)干細(xì)胞。他們發(fā)現(xiàn)，在第14天激光組的Runx-2、ALP、I型膠原蛋白的基因表達(dá)均顯著高于對照組，在第28天骨鈣蛋白與骨橋蛋白的表達(dá)同樣升高。與此同時(shí)，在第28天激光組的茜素紅染色也較對照組更加強(qiáng)烈均勻。這些結(jié)果表明，絲纖維蛋白支架聯(lián)合激光照射可充分促進(jìn)人間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化與礦化，且在成骨早期與中晚期均有影響。

Cruz等[14]報(bào)道，以海洋生物中提取的海洋膠原制成骨替代支架并聯(lián)合808 nm的低能量激光照射，有效促進(jìn)了Wistar大鼠顱骨缺損部位的新骨形成。不僅如此，在植入手術(shù)后第45天，他們發(fā)現(xiàn)支架聯(lián)合照射組的轉(zhuǎn)化生長因子β（TGF-β）和血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）均顯著升高。有研究表明，TGF-β在骨重塑階段發(fā)揮重要作用，可以促進(jìn)骨細(xì)胞增殖[15]；而VEGF則是促進(jìn)血管形成的主要生物因子[16]。

3 混合支架聯(lián)合低能量激光療法

近年來，單一材料骨組織工程支架的應(yīng)用越來越少，更多學(xué)者選擇將不同材料進(jìn)行組合制成混合支架，從而使各類材料優(yōu)勢疊加，發(fā)揮更大的協(xié)同促進(jìn)作用，以更好地滿足骨缺損修復(fù)的各項(xiàng)需要。Gabbai-Armelin等[17]研究發(fā)現(xiàn)，將生物玻璃、膠原蛋白以及鎂進(jìn)行融合后與808 nm的GaAlAs激光聯(lián)合應(yīng)用，可成功促進(jìn)支架降解與新骨形成。與單純應(yīng)用生物玻璃相比，加入鎂提高了支架的力學(xué)性能。而膠原蛋白作為一種骨組織內(nèi)的有機(jī)成分，它的加入為以后的研究提供了更多方向與可能。Fernandes等[5]在實(shí)驗(yàn)研究中也驗(yàn)證，與單純生物玻璃支架相比，聚乳酸-羥基乙酸共聚物與生物玻璃結(jié)合制成的支架在聯(lián)合低能量激光療法后，其促進(jìn)新骨形成的作用更強(qiáng)。

4 臨床應(yīng)用前景

低能量激光因具有促進(jìn)新骨形成與成骨分化等多種生物學(xué)功能，在骨組織工程領(lǐng)域已獲得越來越多的關(guān)注。

已在臨床廣泛應(yīng)用的低能量激光療法不僅具有良好的促進(jìn)干細(xì)胞成骨分化和新骨形成能力，其緩解切口疼痛與炎癥、促進(jìn)切口愈合等功能對于骨組織工程支架起到有效補(bǔ)充。目前骨組織工程支架主要采用開放手術(shù)方式植入至骨缺損部位，手術(shù)切口對術(shù)后的鎮(zhèn)痛、抗感染等支持治療帶來一定難度，而低能量激光療法通常在支架植入手術(shù)后持續(xù)一個(gè)或幾個(gè)療程[7,14,17]，這恰好給低能量激光全面發(fā)揮生物學(xué)作用提供了時(shí)機(jī)。

血管化一直是骨組織工程中需要解決的重要問題，只有形成足夠數(shù)量的血管及包含各層級的血管網(wǎng)才能最終保證新骨形成。低能量激光療法已被證實(shí)可以促進(jìn)VEGF等血管活性因子產(chǎn)生，是促進(jìn)組織血管化的有效方法。盡管如此，低能量激光療法的作用機(jī)制仍不明確，目前學(xué)者們比較公認(rèn)的是低能量激光主要通過影響細(xì)胞線粒體中的細(xì)胞色素C氧化酶，繼而對細(xì)胞的氧化代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)[18]。另外，低能量激光具有“雙相作用”[19]，即激光的生物學(xué)效應(yīng)隨激光強(qiáng)度的增強(qiáng)而增強(qiáng)，但強(qiáng)度達(dá)到一定值后，繼續(xù)增加激光強(qiáng)度則帶來生物學(xué)效應(yīng)的抑制，因此選擇最合適的參數(shù)一直是低能量激光應(yīng)用的難點(diǎn)。

此外，對于骨質(zhì)疏松癥患者，自體骨移植、骨組織工程支架等治療方法的效果總是難以令人滿意，但低能量激光已被證實(shí)可以治療骨質(zhì)疏松癥，減少骨質(zhì)流失，改善骨代謝[20]，這進(jìn)一步說明低能量激光療法聯(lián)合骨組織工程具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。

總的來說，低能量激光的多種生物學(xué)功能都對骨組織工程修復(fù)骨缺損起到了有效的補(bǔ)充與加強(qiáng)。但我們?nèi)孕枭钊胩骄績烧呗?lián)合修復(fù)骨缺損時(shí)分子生物學(xué)層面的具體機(jī)制，以便實(shí)現(xiàn)骨缺損修復(fù)的精準(zhǔn)化、快速化與個(gè)性化。