付冬梅, 周婧, 王浪, 楊昕, 蘭紅, 李素蘭, 王勁, 方婕
1.資陽(yáng)市雁江區(qū)人民醫(yī)院口腔科,四川 資陽(yáng)(641300); 2.四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院正畸科,四川 成都(610041)
在現(xiàn)有的治療骨缺損技術(shù)中,引導(dǎo)骨再生技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用[1],但該技術(shù)使用的骨代替材料只有引導(dǎo)成骨的作用,且手術(shù)后恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng),使用的骨材料成本較高,嚴(yán)重影響了骨缺損修復(fù)的效果,增加患處炎癥免疫反應(yīng)和感染的風(fēng)險(xiǎn)[2],因此尋求一種安全可靠、成本低、生物活性好的骨再生材料一直是骨缺損技術(shù)研究的重點(diǎn)。
改良型富血小板纖維蛋白(advanced plateletrich fibrin,A-PRF)被證實(shí)可促進(jìn)軟硬組織的愈合及再生,并能有效應(yīng)用于口腔頜面外科、整形外科、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、牙周病學(xué)等多方面[3-4]。臨床研究證實(shí)A-PRF 可作為生物活性材料單獨(dú)或結(jié)合其他骨移植材料促進(jìn)骨再生。β-磷酸三鈣(β-tricalcium phosphate,β-TCP)具有良好的生物相容性、骨引導(dǎo)性及生物降解性能,臨床上主要應(yīng)用作為支架材料引導(dǎo)骨再生,如牙槽嵴裂骨缺損修復(fù)、位點(diǎn)保存、種植術(shù)區(qū)缺損修復(fù),或者聯(lián)合其他材料誘導(dǎo)骨再生,均取得良好的骨再生效果。本實(shí)驗(yàn)擬通過(guò)新西蘭兔股骨缺損模型進(jìn)一步探討A-PRF 與β-TCP 復(fù)合物誘導(dǎo)成骨的作用與可能涉及的機(jī)制,為臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
取清潔級(jí)新西蘭大白兔24 只,雄性,5 ~6 月齡,體質(zhì)量3 ~3.5 kg,購(gòu)自成都達(dá)碩實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司,生產(chǎn)許可證號(hào):SCXK(川)2020-030。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)四川大學(xué)華西醫(yī)院動(dòng)物倫理委員會(huì)審批通過(guò)(20220916006)。
A-PRF 在華西醫(yī)院動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室提取,β-TCP(奧林巴斯泰爾茂生物材料株式會(huì)社,日本);二甲苯(天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司,中國(guó));DAB 試劑盒(北京中杉金橋生物有限公司,中國(guó));RNA 提取試劑盒(合肥博美生物科技有限公司,中國(guó));RNA逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(寶日醫(yī)生物技術(shù)有限公司,中國(guó));RT-PCR 試劑盒(寶日醫(yī)生物技術(shù)有限公司,中國(guó));熒光TUNEL 檢測(cè)試劑盒(賽默飛世爾科技有限公司,中國(guó));骨保護(hù)素(osteoprotegerin,OPG)(艾博抗貿(mào)易有限公司,中國(guó));人核因子κB 受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand,RANKL)(艾博抗貿(mào)易有限公司,中國(guó));骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)(艾博抗貿(mào)易有限公司,中國(guó));磷酸化含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶3(phospho-cysteine aspartic protease-3,p-Caspase3)(艾博抗貿(mào)易有限公司,中國(guó));磷酸化-絲裂原活化蛋白激酶p38(phospho-mitogen-activated protein kinase p38,p-p38MAPK)抗體(CST 公司,美國(guó));二抗工作液(北京中杉金橋生物有限公司,中國(guó))。Micro-CT(SkyScan 1276,Bruker,德國(guó));實(shí)時(shí)熒光定量?jī)x(PIKORed 96,Thermo,美國(guó));酶標(biāo)儀(Multiskan Sky,Thermo,美國(guó));熱 循 環(huán) 儀(TCA0096,Thermo,美 國(guó));顯 微 鏡(CX33,Olympus,日本),掃描電鏡(S-4800,日立,日本)。
1.3.1 構(gòu)建兔股骨缺損模型與分組 24 只新西蘭大白兔分為4 組:模型組、1∶1 復(fù)合物組(A-PRF∶β-TCP=1∶1)、2∶1 復(fù)合物組(A-PRF∶β-TCP=2∶1)與4∶1 復(fù)合物組(A-PRF∶β-TCP=4∶1)。各組動(dòng)物耳緣靜脈注射3%戊巴比妥鈉溶液(1 mL/kg)進(jìn)行麻醉,自雙后肢膝關(guān)節(jié)外側(cè)距前緣1.0 ~1.5 cm 處,平行前緣作一長(zhǎng)約5 cm 弧形切口;逐層分離暴露股骨外側(cè)髁,用骨鉆制備直徑為6 mm、深8 mm 的圓柱形骨全層缺損。于距離骨缺損中央6 mm 處,左右對(duì)稱各旋入1枚直徑為2 mm的鈦釘進(jìn)行定位(圖1)。模型組不作處理,復(fù)合物組在骨缺損區(qū)域填充0.5 mL 復(fù)合物,所有動(dòng)物均用醫(yī)用膠原修復(fù)膜覆蓋,術(shù)后3 d內(nèi)每天肌肉注射青霉素鈉80萬(wàn)U。術(shù)后8 周安樂(lè)法處死動(dòng)物,收集股骨組織進(jìn)行后續(xù)指標(biāo)檢測(cè)。
Figure 1 Construction of rabbit femoral defect model圖1 構(gòu)建兔股骨缺損模型
1.3.2 Micro-CT 掃描分析股骨缺損情況 使用動(dòng)物Micro-CT 掃描分析儀測(cè)定新生股骨組織中骨密度(bone mineral density,BMD)、骨體積分?jǐn)?shù)(bone volume fraction,BV/TV)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、骨小梁分離度(trabecular separation/spacing,Tb.Sp)、骨小梁數(shù)量(trabecular number,Tb.N),掃描條件:掃描高度1.5 cm,層距19 μm,跨越780~800層,曝光時(shí)間1 800 ms,管電壓80 kV,管電流500 μA。
1.3.3 組織病理學(xué)檢測(cè) 將各組動(dòng)物的新生股骨組織在4%多聚甲醛中固定24 h 以上,依次進(jìn)行脫鈣、脫水處理,制作石蠟切片,最后使用蘇木精-伊紅染色法(HE 染色)進(jìn)行染色,觀察新生骨組織中血管形成情況與病變情況。
1.3.4 掃描電鏡觀察組織形態(tài) 將各組動(dòng)物新生股骨組織制備成掃描電鏡樣本,使用掃描電鏡觀察組織中骨形態(tài)結(jié)構(gòu)、膠原纖維、成骨細(xì)胞附著等情況。
1.3.5 酶聯(lián)免疫法檢測(cè)新生股骨組織中p-p38MAPK、CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白(CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein,CHOP)、p-Caspase3 的含量 將收集的各組動(dòng)物新生股骨組織置于液氮中研磨,制成組織勻漿,4 000 r/min 離心10 min 收集上清液,按ELISA 檢測(cè)試劑盒說(shuō)明書操作測(cè) 定 組 織 中p-p38MAPK、CHOP、p-caspase3 的含量。
1.3.6 免疫組織化學(xué)觀察成骨相關(guān)蛋白表達(dá) 將1.3.3 中制成的石蠟切片脫蠟至水,然后將切片置于二甲苯中3 次,每次15 min,置于無(wú)水乙醇中2 次,每次5 min,再分別置于85%(v/v)、75%(v/v)乙醇溶液中5 min,最后用蒸餾水清洗。將處理好的切片浸入檸檬酸鹽緩沖液(pH=6.0),微波爐高火加熱10 min,停火8 min,中高火再加熱10 min;冷卻后,使用PBS 清洗3 次,每次5 min,在3%雙氧水中室溫靜置10 min,取出使用PBS 清洗3 次,每次5 min;滴加山羊血清封閉液,室溫封閉20 min,然后滴加一抗(1∶100),4 ℃孵育過(guò)夜;PBS 洗3 次,每次5 min;滴加二抗,37 ℃室溫孵育30 min,使用PBS 清洗3 次,每次5 min;孵育完成后將新鮮配置的DAB 顯色液滴加到組織上,室溫顯色,在顯微鏡觀察下控制顯色時(shí)間,當(dāng)顏色為棕黃色時(shí),蒸餾水洗滌終止顯色;加入蘇木素復(fù)染3 min,清水返藍(lán)后流水沖洗;最后將切片依次置于75%乙醇、85%乙醇、95%乙醇、無(wú)水乙醇、二甲苯中浸泡10 min,中性樹膠封片。使用顯微攝像系統(tǒng)對(duì)切片進(jìn)行圖像采集,每例樣本在400 倍下分別采集3 個(gè)視野進(jìn)行拍照,計(jì)算每張圖像的平均光密度,使用3 張圖像的平均光密度再計(jì)算每例樣本的平均光密度,觀察新生骨組織中OPG、BMP-2、RANKL、p-p38MAPK與p-Caspase3 蛋白表達(dá)情況。
1.3.7 熒光TUNEL 染色觀察新生股骨組織細(xì)胞凋亡情況 收集各組動(dòng)物新生骨痂組織,放入4%多聚甲醇中固定過(guò)夜,制備石蠟切片。用TUNEL 熒光試劑盒染色,觀察新生骨組織細(xì)胞凋亡情況。
1.3.8 RT-qPCR 將收集的各組動(dòng)物新生股骨組織置于液氮中研磨,按RNA 提取試劑盒與RNA 逆轉(zhuǎn)錄試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行總RNA 提取與cDNA 逆轉(zhuǎn)錄,然后使用RT-PCR 儀擴(kuò)增,最后計(jì)算各組樣本的CT 值,通過(guò)計(jì)算2-△△CT值反映OPG、BMP-2、RANKL、p38MAPK 基因的相對(duì)表達(dá)水平。引物序列:OPG:F:5’-GGACCATGCAGGAAACCCTT-3’,R:5’-CCTGTGCTTCACACAGAACTC-3’;BMP-2:F:5’-TTGGTCACGATGGGAAGGGG-3’,R:5’-TGTGCTAACGACACCCACAA-3’;RANKL:F:5’-TCGACTCTGGAGAGCGAAGA-3’,R:5’-GAGCCACGAACCTTCCATCA-3’;p38MAPK:F:5’-GAGAGGCAGACGCTAAGCAG-3’,R:5’-GGCGATTCTCTCACTGAGCC-3’;GAPDH:5’-ACGACCACTTCGGCATTGTG-3’,R:5’-CAGTGAGTTTCCCGTTCAGC-3’。所有引物均由生工生物工程(上海)股份有限公司生產(chǎn)提供。
使用SPSS 25.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,計(jì)量資料用均值± 標(biāo)準(zhǔn)差表示。組間比較采用單因素方差分析,進(jìn)一步組內(nèi)兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)。P<0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
Micro-CT 檢測(cè)骨組織發(fā)現(xiàn),與模型組相比,各復(fù)合物組動(dòng)物股骨組織中BMD 含量、BV/TV 比例、Tb.Th 與Tb.N 均升高,Tb.Sp 降低(P<0.05),見表1。模型組動(dòng)物骨小梁間髓腔較大,新生骨小梁較少,存在缺損未愈合區(qū)域;復(fù)合物組缺損區(qū)域基本填滿新生骨組織,其中1∶1 復(fù)合物組修復(fù)效果較差,2∶1 復(fù)合物組修復(fù)效果最好。
表1 不同比例的富血小板纖維蛋白/β-三磷酸鈣復(fù)合物組新生骨指標(biāo)比較Table 1 Comparison of new bone index between advanced platelet-rich fibrin and β-tricalcium phosphate complex composites with different proportions
掃描電鏡結(jié)果顯示,模型組動(dòng)物缺損區(qū)域出現(xiàn)少量骨小梁,纖維組織增生不明顯,成骨細(xì)胞附著不明顯;復(fù)合物組缺損區(qū)域可見新生骨小梁大量形成,大量成骨細(xì)胞附著,纖維組織增生明顯,以2∶1 復(fù)合物組修復(fù)程度最為突出。HE 染色結(jié)果顯示,模型組骨組織之間可見骨損傷區(qū)域,炎性細(xì)胞浸潤(rùn)情況明顯。與模型組相比,各復(fù)合物組骨損傷區(qū)域、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)情況較少,且見新生毛細(xì)血管形成,恢復(fù)程度2∶1 比例最佳,4∶1 比例次之,1∶1 較弱。見圖2。
Figure 2 Comparison of repair effects of advanced platelet-rich fibrin and β-tricalcium phosphate complex with different proportions on rabbit femoral defects圖2 不同比例的富血小板纖維蛋白/β-磷酸三鈣復(fù)合物組兔股骨缺損的修復(fù)效果比較
與模型組相比,1∶1 復(fù)合物組、2∶1 復(fù)合物組與4∶1 復(fù)合物組樣本中細(xì)胞凋亡率均顯著性降低,2∶1 復(fù)合物組下降幅度最大(P<0.05),見表2。
表2 不同比例的富血小板纖維蛋白/β-磷酸三鈣復(fù)合物組新生骨組織中凋亡率比較Table 2 Comparison of apoptosis rate in newborn bone tissue between advanced platelet-rich fibrin and β-tricalcium phosphate complex composites with different proportions
與模型組相比,2∶1 復(fù)合物組與4∶1 復(fù)合物組新生骨組織中p-p38MAPK、CHOP、p-Caspase3 含量顯著性降低(P<0.05),而1∶1 復(fù)合物組新生股骨樣本中p-p38MAPK、p-Caspase3 含量均無(wú)顯著性變 化(P>0.05),CHOP 含量降低(P<0.05),pp38MAPK、CHOP、p-Caspase3 組間統(tǒng)計(jì)量值為(F=3.168,3.283,3.238;P=0.043,0.038,0.040),見圖3。
Figure 3 Comparison of the contents of p-p38MAPK,CHOP and p-Caspase3 in newborn bone tissues between advanced platelet-rich fibrin and β-tricalcium phosphate complex composites with different proportions圖3 不同比例的A-PRF/β-TCP 復(fù)合物組新生骨組織中p-p38MAPK、CHOP、p-Caspase3 的蛋白表達(dá)情況
與模型組相比,1∶1 復(fù)合物組新生股骨樣本中BMP-2 的mRNA 升高(P<0.05),OPG、RANKL 與p38MAPK 的mRNA 則無(wú)顯著變化(P>0.05),而2∶1復(fù)合物組與4∶1 復(fù)合物組樣本中OPG 和BMP-2 的mRNA 均升高,RANKL 和p38MAPK 的mRNA 表達(dá)量降低(P<0.05),各組OPG、BMP-2、RANKL 和p38MAPK 組間統(tǒng)計(jì)量值為(F=15.65,6.522,7.048,12.29;P=0.001,0.002,0.002,0.001),見圖4a。
免疫組織化學(xué)結(jié)果顯示,與模型組相比,2∶1復(fù)合物組與4∶1 復(fù)合物組新生骨組織中OPG 和BMP-2 蛋白表達(dá)水平升高,RANKL、p-p38MAPK 與p-Caspase3 蛋白表達(dá)水平下降(P<0.05),而1∶1 復(fù)合物組新生股骨樣本中5 種蛋白的表達(dá)水平均無(wú)變化(P>0.05)。各組OPG、BMP-2、RANKL、pp38MAPK 與p-Caspase3 組間統(tǒng)計(jì)量值為(F=4.498,8.916,43.19,12.56,7.026;P= 0.040,0.006,0.000,0.002,0.012),見圖4b、4c。
Figure 4 Expression of osteogenesis related genes in newborn femur between advanced platelet-rich fibrin and β-tricalcium phosphate complex composites with different proportions圖4 不同比例的A-PRF/β-TCP 復(fù)合物組新生股骨組織中成骨相關(guān)基因的表達(dá)情況
目前,臨床上使用的骨代替材料只有引導(dǎo)成骨作用,存在手術(shù)后并發(fā)癥多等問(wèn)題,嚴(yán)重影響了骨缺損修復(fù)治療的開展[5]。本團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn),A-PRF 被證實(shí)可促進(jìn)軟硬組織的愈合及再生。目前有學(xué)者通過(guò)不同比例的A-PRF 與β-TCP 復(fù)合物研究其誘導(dǎo)骨再生的效果,取得一定進(jìn)展[3],但涉及的機(jī)制仍不明確,不利于復(fù)合物的改良與發(fā)展。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)A-PRF 和β-TCP 的比例為2∶1 時(shí),抑制p38MAPK 通路減少細(xì)胞凋亡的發(fā)生,介導(dǎo)OPG/RANKL/RANK 通路加快骨缺損修復(fù)。Micro-CT 技術(shù)可全方位獲得組織內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)圖像,可直接觀察新生骨與填充材料的結(jié)合情況[6]。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)Micro-CT 輔助結(jié)合組織病理學(xué)與掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)A-PRF 和β-TCP 的配比為2∶1 時(shí),骨缺損區(qū)域中新生骨與填充材料的結(jié)合程度最好,誘導(dǎo)新生骨的形成情況最多,BMD、BV/TV、Tb.Th、Tb.N 指標(biāo)均升高,纖維組織增生明顯,骨細(xì)胞聚集增多與骨結(jié)構(gòu)形成情況良好。這可能與APRF 具有高黏附性的膜性特點(diǎn),利于細(xì)胞黏附,降解過(guò)程中所釋放的生長(zhǎng)因子可誘導(dǎo)骨髓基質(zhì)細(xì)胞等的骨向分化與成骨細(xì)胞的附著、增殖和分化有關(guān),但不建議與β-TCP 的構(gòu)成比例超過(guò)2∶1,因?yàn)锳-PRF 在會(huì)隨著時(shí)間被體內(nèi)蛋白酶降解、吸收,濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致其釋放的生長(zhǎng)因子速度降低,誘導(dǎo)骨形成速度減慢,減弱β-TCP 誘導(dǎo)新生骨建成的速度與骨結(jié)構(gòu)框架的形成效果。
在骨形成過(guò)程中,多種骨細(xì)胞、細(xì)胞因子和基因的相互作用促使骨組織恢復(fù)原有的結(jié)構(gòu)和功能[7]。有研究發(fā)現(xiàn),OPG/RANKL/RANK 通路在調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)和骨質(zhì)量方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[8]。RANKL可與位于破骨細(xì)胞膜上的RANK 特異性結(jié)合,觸發(fā)一系列細(xì)胞內(nèi)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)[9]。OPG 是腫瘤壞死因子受體家族成員,具有抑制破骨細(xì)胞分化、增加骨密度的功能[10]。OPG 可直接與RANKL 結(jié)合,抑制RANKL 與RANK 的結(jié)合,從而抑制破骨細(xì)胞的激活。OPG/RANKL/RANK 共同構(gòu)成破骨細(xì)胞分化和骨吸收的關(guān)鍵信號(hào)通路[11]。BMP 家族蛋白被認(rèn)為與組織異位骨化形成和干細(xì)胞成骨分化潛能密切相關(guān)[12],其中BMP-2 已被證明能夠參與骨修復(fù)[13]。在本實(shí)驗(yàn)中,使用復(fù)合物填充后,骨缺損區(qū)域骨形成顯著增多,新生骨組織中OPG 基因與蛋白的表達(dá)水平顯著性升高,RANKL 基因與蛋白表達(dá)顯著性下降,說(shuō)明復(fù)合物通過(guò)增加OPG 的含量,減少RANKL 表達(dá),抑制破骨細(xì)胞的分化,同時(shí)增加BMP-2 的表達(dá),進(jìn)一步誘導(dǎo)骨形成,填補(bǔ)缺損。
MAPK 信號(hào)通路是細(xì)胞表面到細(xì)胞核內(nèi)部的重要信號(hào)傳遞,p38 是其中一條途徑上的關(guān)鍵激酶[14]。MAPK 通路激活后誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)中的p38 磷酸化進(jìn)入細(xì)胞核促進(jìn)CHOP、Caspase3 表達(dá)與活化,促進(jìn)細(xì)胞凋亡[15],與OPG/RANKL/RANK 通路在成骨途徑中也具有相互作用的關(guān)系[16]。當(dāng)RANKL/RANK 復(fù)合體形成后,能通過(guò)TRAF6 激活MAPK 家族蛋白表達(dá)[17],誘發(fā)骨質(zhì)疏松、骨不愈合等疾病,這說(shuō)明MAPK 信號(hào)通路有可能通過(guò)直接調(diào)控OPG/RANKL/RANK 通路上的關(guān)鍵基因?qū)Τ晒欠只c骨再生進(jìn)行干預(yù)。本實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),填充復(fù)合物后,新生骨組織中p38MAPK 基因表達(dá)量下降,p-p38MAPK、CHOP 與p-Caspase3 的表達(dá)減少,說(shuō)明復(fù)合物不僅能抑制MAPK 通路,減少下游CHOP 與p-Caspase3的含量,抑制細(xì)胞凋亡,還能減少p38MAPK 磷酸化,抑制RANKL/RANK 通路,減少破骨細(xì)胞分化,加速骨再生與保護(hù)新生骨組織。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),當(dāng)A-PRF 和β-TCP 復(fù) 合 物 構(gòu) 成 比 例 為2∶1 時(shí) 對(duì)p38MAPK 通路抑制效果較強(qiáng)。
綜上所述,由A-PRF 與β-TCP 組成復(fù)合物能促進(jìn)OPG 表 達(dá),抑 制RANKL 表 達(dá) 和p38MAPK 磷 酸化,降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與炎癥反應(yīng),減少新生骨細(xì)胞凋亡,誘導(dǎo)成骨分化。目前A-PRF 與β-TCP 均是組織工程學(xué)上常用的材料,但將兩者結(jié)合用于組織修復(fù)的研究比較少,其復(fù)合物幫助組織重塑與再生的潛力十分巨大,如能在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同組織或信號(hào)通路結(jié)合對(duì)應(yīng)靶點(diǎn)藥物,能在針對(duì)性修復(fù)組織的同時(shí)減少并發(fā)癥發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),使其成為一種安全可靠、成本低、生物活性好的骨再生材料。
【Author contributions】 Fu DM designed the study, performed the experiments and wrote the article. Zhou J, Wang L, Yang X, Lan H, Li SL,Wang J and Fang J performed the experiments and revised the article.All authors read and approved the final manuscript as submitted.